Vergleichende biochemische und strukturelle Untersuchung ...
„Vergleichende Untersuchungen zum zyklischen Verhalten ... Untersuchu… · Querdehnung....
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„Vergleichende Untersuchungen zum zyklischen Verhalten
zweier Böden im dreiaxialen Spannungsfeld“
Abschlussarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades
Bachelor of Engineering
im Studiengang Bauingenieurwesen
der Fakultät Bauwesen
an der
HTWK Leipzig
Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur
Johannes Bufe
61049
Erstprüfer: Prof. Dr.-Ing. Ralf Thiele
Zweitprüfer: Dr.-Ing. Friedemann Sandig
Praxispartner: Dipl.-Ing. Matthias Pamler
Leipzig, 2016
2
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis................................................................................................................................................................ 2
Abbildungsverzeichnis ...................................................................................................................................................... 4
Tabellenverzeichnis ............................................................................................................................................................ 5
Abkürzungsverzeichnis ..................................................................................................................................................... 6
Einführung ........................................................................................................................................................................... 10
Kurzfassung .................................................................................................................................................................... 10
Abstract ............................................................................................................................................................................ 10
1 Ziele der Arbeit............................................................................................................................................................... 11
2 Methodik ........................................................................................................................................................................... 12
3 Stand des Wissens......................................................................................................................................................... 14
3.1 Normierung triaxialer Laborversuche ........................................................................................................ 14
3.2 Funktion und Grenzen triaxialer Prüfmaschinen................................................................................... 14
3.3 Problembeschreibung für teilgesättigte Prüfungen.............................................................................. 15
4 Herstellung und Einbau von Probematerial ...................................................................................................... 17
4.1 Allgemeines ............................................................................................................................................................. 17
4.2 Vorbereitung und Einbau von Auelehm (TL)........................................................................................... 18
4.3 Einbau von Karlsruher Sand (SE).................................................................................................................. 21
4.4 Komplikationen und Empfehlungen in Herstellung und Probeneinbau...................................... 21
5 Der K0-Versuch .............................................................................................................................................................. 23
5.1 K0-Versuch und einaxialer Kompressionsversuch................................................................................ 23
5.2 K0-Versuch mit Wasserverdrängung .......................................................................................................... 24
5.3 K0-Versuch mit Querdehnung ........................................................................................................................ 25
6 Dynamische Triaxialversuche.................................................................................................................................. 26
6.1 Vorbetrachtungen ................................................................................................................................................ 26
6.2 Sättigung und Konsolidation ........................................................................................................................... 26
6.3 Versuche zur Anregungsfrequenz ................................................................................................................. 27
6.4 Zyklische CU-Triaxialversuche ....................................................................................................................... 28
6.5 Simulation Walzenüberfahrt ........................................................................................................................... 29
7 Bewertung der Versuche ........................................................................................................................................... 31
7.1 Diskussion der Versuchsergebnisse............................................................................................................. 31
7.1.1 K0- und Oedometerversuch .................................................................................................................... 31
7.1.2 Anregungsfrequenz ..................................................................................................................................... 33
7.1.3 Variation von Last- und Umlagerungsspannung............................................................................ 36
7.1.4 Walzenüberfahrt........................................................................................................................................... 38
7.2 Grafische Auswertung der Exportdateien ................................................................................................. 41
3
7.3 Fehleranalyse ......................................................................................................................................................... 45
8 Anwendungsgebiete..................................................................................................................................................... 47
9 Genauere Messverfahren ........................................................................................................................................... 48
9.1 Lokale Messungen ................................................................................................................................................ 48
9.2 Messungen anderer Einflussgrößen ............................................................................................................ 49
9.3 Auswahl des Prüfverfahrens für dynamische Belastungen ............................................................... 49
10 Zusammenfassung und Ausblick ......................................................................................................................... 51
Anhang A: Protokolle....................................................................................................................................................... 52
A.1 Wassergehalt Probekörper .............................................................................................................................. 52
A.2 Proctordichte/-kurve ......................................................................................................................................... 53
A.3 Bodenmechanisches Datenblatt Karlsruher Sand (SE) ....................................................................... 54
Anhang B: Protokolle K0-Versuch ............................................................................................................................. 56
B.1 Vorbereitung Versuchsstand........................................................................................................................... 56
B.2 Durchführung......................................................................................................................................................... 57
B.3 Grafische Auswertung ........................................................................................................................................ 58
Anhang C: Protokolle Anregungsfrequenz............................................................................................................. 59
C.1 Versuchsschema.................................................................................................................................................... 59
C.2 Vorbereitung Versuchsstand........................................................................................................................... 60
C.3 Durchführung ......................................................................................................................................................... 61
C.4 Grafische Auswertung ........................................................................................................................................ 62
Anhang D: Protokolle Zyklischer CU-Versuch ...................................................................................................... 63
D.1 Versuchsschema ................................................................................................................................................... 63
Anhang E: Protokolle Simulation Walzenüberfahrt........................................................................................... 64
E.1 Versuchsschema ................................................................................................................................................... 64
E.2 Durchführung......................................................................................................................................................... 66
Anhang F: Datenblätter .................................................................................................................................................. 67
F.1 Rüttelplatten ........................................................................................................................................................... 67
F.2 Walze.......................................................................................................................................................................... 68
Anhang G: Übersicht Triaxialversuche .................................................................................................................... 69
Anhang H: Technische Systemübersicht................................................................................................................. 70
Anhang I: Protokoll B-Test............................................................................................................................................ 71
Anhang J: Vergleich der Datenexporte..................................................................................................................... 72
Glossar ................................................................................................................................................................................... 76
Literaturverzeichnis ........................................................................................................................................................ 81
Erklärung .............................................................................................................................................................................. 83
4
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Dreiphasenmodell des Bodens.
Abbildung 2: Schema zum Einfluss dynamischer und zyklischer Belastung auf Böden.
Abbildung 3: Feuchtdichten der TL-Probekörper bei d=100 mm und d=50 mm im Vergleich.
Abbildung 4: Zonenbruch, Ausstechequipment und drei vollständige Druckzellen von TL.
Abbildung 5: Schematische Anordnung zum Versuchsaufbau eines K0-Versuchs.
Abbildung 6: Kunststoffkörper in der Druckzelle, TL: Einbau in 50er Druckzelle, 50er Druckzelle
in der Prüfpresse.
Abbildung 7: Phase 2 Simulation Walzenüberfahrt: Schema für 50%ige statische und
dynamische Walzenlast.
Abbildung 8: Setzungsverläufe von einaxialen Kompressionsversuch und K0-Versuch mit Querdehnung.
Abbildung 9: Last-Setzungsverläufe von einaxialen Kompressionsversuch und K0-Versuch mit Querdehnung.
Abbildung 10: Setzungen von Auelehm (TL) bei verschiedenen Frequenzen.
Abbildung 11: Setzungen von Karlsruher Sand (SE) bei verschiedenen Frequenzen.
Abbildung 12: Statische und zyklisch/dynamische Setzung s [mm] von TL und SE.
Abbildung 14: Setzungskurven für SE mit 10-Minuten-Fenster.
Abbildung 15: Setzungskurven für TL mit 10-Minuten-Fenster.
Abbildung 16: Setzungsverhalten von TL bei drei Starts der Walze mit vergrößerter Darstellung der dynamischen Belastungs- und statischen Ruhephase.
Abbildung 17: 40%iger Lasteintrag auf TL bei drei Starts der Walze mit vergrößerter Darstellung der dynamischen Belastungs- und statischen Ruhephase.
Abbildung 18: Abgescherte TL-Probe aus Phase 2 Simulation Walzenüberfahrt.
Abbildung 19: Phase 2 Simulation Walzenüberfahrt: Grafische Darstellung von Belastung und Setzungsverhalten.
Abbildung 20: Darstellung des Zeit-Setzungsverlaufes von SE bei 15 Hz mit 1-, 10- und 50-Sekunden-Fenster.
Abbildung 21: Darstellung des Zeit-Setzungsverlaufes von TL bei 1 Hz mit 1-, 10- und 100-Sekunden-Fenster.
Abbildung 22: Ungenaue Darstellung des Last-Setzungsverhalten von Auelehm unter 1 Hz.
Abbildung 23: Genaue Darstellung des Last-Setzungsverhaltens von Auelehm unter 1 Hz mit Hystereseschleifen.
Abbildung 24: Verläufe von Hystereseschleifen.
Abbildung 25: Lastamplitude bei Karlsruher Sand unter 1 Hz.
Abbildung 26: Hauptaufgabengebiete der Bodendynamik nach STUDER (2007).
5
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Feuchtdichten der Probekörper (TL, d0=100mm).
Tabelle 2: Feuchtdichten der Probekörper und Verwendung (TL, d0=50mm).
Tabelle 3: Einbaudichten von Karlsruher Sand bei lockerem und dichtem Einbau in die triaxiale Druckzelle.
Tabelle 4: Vergleich der möglichen Wasserverdrängung verschiedener Druckzellen und Probekörpergrößen.
Tabelle 5: Zelldrucknachsteuerung mit ν=0,35. σ3=σ1*ν/(1-ν).
Tabelle 6: Phase 1 Anregungsfrequenz: Eingangsparameter im Versuchsschema.
Tabelle 7: Phase 2 Variation der Last- und Umlagerungsspannungen: Eingangsparameter im
Versuchsschema.
Tabelle 8: Phase 2 Variation der Last- und Umlagerungsspannungen: manuelle Nachsteuerung.
Tabelle 9: Simulation der Walzenüberfahrt: Ergebnisse aus manueller Nachsteuerung.
Tabelle 10: Phase 1 Simulation Walzenüberfahrt: Eingabeparameter bei 40% dynamischer und
statischer Walzelast.
Tabelle 11: Laststufen und Steifemodule aus K0- und Oedometerversuch.
Tabelle 12: K0-Versuch: tatsächlicher axialer Lasteintrag infolge Zelldruck und Axialdruck.
Tabelle 13: Phase 1 Anregungsfrequenz: Setzungen und Frequenzen.
Tabelle 14: Manuelle Nachsteuerung verschiedener Frequenzen.
Tabelle 15: Darstellung des prozentualen Anteils der dynamischen Verdichtung von TL und SE in verschiedenen Tiefen.
Tabelle 16: Phase 1 Simulation Walzenüberfahrt: statische und dynamische Verdichtung des Walzenstarts.
6
Abkürzungsverzeichnis
Abk. Benennung
CAD-Versuch anisotrop konsolidierter, dränierter, triaxialer Scherversuch
CAU-Versuch anisotrop konsolidierter, undränierter, triaxialer Scherversuch
CCV-Versuch konsolidierter, dränierter, triaxialer Scherversuch mit konstant
gehaltenem Volumen
CID-Versuch isotrop konsolidierter, dränierter, triaxialer Scherversuch
CIU-Versuch isotrop konsolidierter, undränierter, triaxialer Scherversuch
CU-Versuch konsolidierter, undränierter, triaxialer Scherversuch
D-Versuch konsolidierter, drainierter, triaxialer Scherversuch
K0-Versuch konsolidierter, drainierter, triaxialer Kompressionsversuch mit
verhinderter Radialausdehnung und ohne Wandreibung
SE Karlsruher Sand
TL Auelehm
UU-Versuch unkonsolidierter, undränierter, triaxialer Scherversuch
α´ [°] Neigungswinkel der geraden Umhüllenden
δL [m] weitere Setzungen infolge der Verdichtung des Bodens (GOST)
Ԑ [%] Dehnung, Ԑ= Δl/l0
Ԑ₁f [%] geschätzte axiale Bruchstauchung, erwartete Vertikaldehnung
(Absolutwert) beim Bruch
Ԑ̇, Ԑ̇1, Ԑ̇2, Ԑ̇3 [s-1] Stauchungsgeschwindigkeit bzw. Dehnungsgeschwindigkeit
(Dehnungsrate)
(Ԑ1)50 [%] der Wert Ԑ1 bei (σ 1)50 =( σ1f + σ1c)/2, korrigiert für mögliche
Fehlmessungen
λcs [1] Kohäsionskonstante für Scherfugen
λc [1] Kohäsionskonstante für Zonenbruch
ρ [g/cm³] Dichte
σ [kN/m2] totale Normalspannung (Druck positiv)
σcell [kN/m2] totaler Zellendruck
σ1, σ2, σ3 [kN/m2] totale Hauptspannungen, wobei σ1 oder σv axialer Druck und σ2/3 oder
σ3 oder σh auch als Zelldruck bezeichnet werden
σc0 [kN/m2] Anfangszellendruck
σ´1, σ´2, σ´3
[kN/m2]
effektive Hauptspannungen
σc, σc´ [kN/m2] Konsolidationsspannung
σ1c´ [kN/m2] vertikale Konsolidationsspannung
7
σ3c´ [kN/m2] horizontale Konsolidationsspannung
σ´ [kN/m2] effektive Normalspannung, σ´= σ-u
max σ´ [kN/m2] größte Konsolidationsspannung, die der Boden je erfahren hat
σd, σd,neu [kN/m2] dynamische axiale Spannung, manuelle Nachsteuerung
σ´V [kN/m2] Vergleichsspannung der Konsolidation
Max σ´V [kN/m2] Vergleichsspannung für max σ´
σ´Vm [kN/m2] größte Vergleichsspannung der Konsolidation im Versuch
(Δ σ1)m [kN/m2] Korrektur totale Vertikalspannung für Gummihülle
(Δ σ1)fp [kN/m2] Korrektur totale Vertikalspannung für Filterstreifen
(Δ σ3)m [kN/m2] Korrektur totale Horizontalspannung für Gummihülle
σ1f [kN/m2] größere totale Spannung beim Bruch
σ1c [kN/m2] größere totale Spannung am Ende der Konsolidation
τ [kN/m2] totale und effektive Schubspannung
τf [kN/m2] Scherfestigkeit, Schubspannung in der Scherfuge
τR [kN/m2] Restscherfestigkeit
ν [-] Poisson-Zahl
φ [°] Reibungswinkel
φ´ [°] effektiver Reibungswinkel
φ´0 [°] effektiver Reibungswinkel für gleichen Wassergehalt
φ´k, φcr, φc [°] kritischer Reibungswinkel
φmax [°] maximaler Reibungswinkel
φu [°] totaler Reibungswinkel des undränierten Bodens
φr [°] Restreibungswinkel, φr = tan-1(τ/σ)r, siehe KOLYMBAS (2012, S. 135)
φ´s [°] Winkel der Gesamtscherfestigkeit
φ´w [°] Sekantenreibungswinkel
ω [Hz] Resonanzfrequenz der Schwingung
ϴ [°] Tangente des Torsionsneigungswinkels
a [cm²] Querschnittsfläche Stempel
amax [m/s²] maximale Beschleunigung von Schwingungen die durch Erdbeben an
die Erdoberfläche gelangen
A0 [cm2] Anfangsquerschnittsfläche Probekörper
A [cm2] (Vi- ΔVc- ΔV)/(Hi- ΔHc- ΔH), mittlere Querschnittsfläche Probekörper
A [cm²] Amplitude, Schwingungsamplitude
A100, A30 [m²] Fläche des Probekörpers bei 100 (20) mm Durchmesser
b´ [kN/m²] Ordinatenabschnitt der geraden Umhüllenden
c [kN/m2] Kohäsion
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cc [kN/m²] Kapillarkohäsion
cu [kN/m²] (totale) Kohäsion des undränierten Bodens, undrainierte Kohäsion
c´ [kN/m²] effektive Kohäsion
c´w [kN/m²] effektive Kohäsion für gleichen Wassergehalt
C [m/s] seismische Wellenausbreitungsgeschwindigkeit
d, d0 [cm] Durchmesser, Anfangsdurchmesser Probekörper
DH [m] horizontale Ausbreitung im Boden (GOST)
E [kN/m²] Elastizitätmodul
Es [kN/m²] Steifemodul, ES = Δσ/ΔԐ
Ed [kN/m²] dynamisches Modul (meist linear)
e, e0, emin [1] Porenzahl, Porenziffer, Anfangsporenzahl, Mindestporenzahl
f [1] Faktor
f [Hz] Frequenz
F [kN] Kraft
F1 [kN] statische Auflast (axial)
Fd, Fd,neu [kN] dynamische Auflast (axial), manuelle Nachsteuerung
FL [%] Grad der möglichen Bodenverflüssigung (Liquefaktion)
G [kN/m2] Schubmodul, Schermodul, G-Modul, dynamisches Schermodul
h, h0, Hi [cm] Höhe, Anfangshöhe Probekörper
H [m] Mächtigkeit Bodenschicht
Hw [m] Geschätzter Grundwasserspiegel
ΔH, Δh [cm] Vertikalverformung nach Abscheren, Setzung
ΔHc [cm] Vertikalverformung während Konsolidation, messen oder (1/3) ∗
(ΔVc/Vi) ∗ Hi
Ip (%) Plastizitätszahl
k [-] Index für kritisch(-er Grenzzustand)
K W-[(A-a)∗h∗γ] mit h - Abstand Oberkante Druckkappe zur Mitte
Probekörper; W - Gewichtskraft aus Belastungsaufhängung; γ - Wichte
Zellenflüssigkeit
K0 [1] Ruhedruckbeiwert, Seitendruckkoeffizient, σ3´= K0 * σ1´
Kc [1] Konsolidationsverhältnis der effektiven Spannungen, Kc = σ1c / σ3c
NL [1] dynamische Zyklenzahl zum Auftreten von Bodenverflüssigung (GOST)
p [kN/m2] totaler isotroper Druck
p´ [kN/m2] effektiver isotroper Druck
P0 [kN] Stempelkraft infolge Zellendruck σ3
P [kN] Vertikalbelastung, Stempelkopf, erforderliche Stempelkraft, P=( σ´₁c -
9
σ´₃c) ∗ A – K + (σ´₃c + uB) ∗ a
PGA [m/s²] horizontale seismische Beschleunigung (GOST)
PPR-Wert [-] u/σ3 (GOST)
q̄, σdp [kN/m2] Deviatorspannung, zyklische Deviatorspannung
q [kN/m2] Hauptspannungsdifferenz
q= σ1 - σ₃
R [-] Index für Restscherfestigkeit
s, smax [mm] Setzung, maximale Setzung
sel [mm] elastische Setzung während eines dynamischen Triaxialversuches
spl [mm] plastische Setzung infolge eines dynamischen Lasteintrages
sstat, sdyn [mm] Setzung infolge statischer (dynamischer) Belastung
Σs [mm] Summe der Setzungen
Sr [-] Sättigungszahl, Sättigungsgrad
t [hh:mm:ss] Zeit
t100 [s] Bezugszeit
t50 [s] Erforderliche Zeit für 50% Primärkonsolidation
u [kN/m2] Porenwasserdruck, Back Pressure
u0 [kN/m2] Sättigungsdruck, hydrostatischer Porenwasserdruck,
u0 = 5000kN/m² * (1-Sr)/Sr
uB [kN/m2] Gegendruck (=Porenwasserdruck bei Beginn des Abscherens)
uc [kN/m2] Porenwasserüberdruck nach Konsolidation/Belastung
Δu [kN/m2] Änderung des Porenwasserdrucks durch äußere Spannungen
(Zelldruck)
max v1, vmax
[mm/s]
[(Hi-ΔHc) ∗ Ԑ1f]/[F∗t50], größte zugelassene axiale
Vorschubgeschwindigkeit, für C-Versuche: max v1 = max (Δh/Δt) = (h∗
Ԑ1f)/(15∗ t100)
V0, Vi [cm³] Anfangsvolumen Probekörper
VC [ml] Füllvolumen Druckzelle
ΔV [cm³,ml] Volumenänderung Probekörper (während Abscheren), verdrängtes
Volumen
ΔVc [cm³] Volumenänderung während Konsolidation
w [1] Wassergehalt
W [kJ/m³] Elastische Dehnungsenergie
x [mm] Scherweg
10
Einführung
Kurzfassung
Triaxiale Laborversuche bieten die Möglichkeit verschiedenste Vorgänge in Natur und Technik
zu simulieren, sowie Eigenschaften spezifischer Böden zu untersuchen. Verbesserte
Datenerfassung und Versuchssteuerung, infolge des ständigen Fortschritts der
Computerentwicklung, gewährleisten individuelle Anpassung von Parametern und genauere
Beurteilungen bezüglich des Verhaltens verschiedener Böden. Diese Arbeit deckt beide
Sachverhalte ab, indem zum einen zwei Böden hinsichtlich ihres Verdichtungsverhaltens
betrachtet und andererseits Simulationen von Walzenüberfahrten, sowie Rüttelplatten
durchgeführt wurden.
Die Erarbeitung der Thematik erfolgte im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojektes
TCDyn der G² Gruppe Geotechnik, dessen Gegenstand die Entwicklung einer Hochfrequenz-
Triaxialzelle zur Untersuchung dynamisch angeregter teilgesättigter Böden im Frequenzbereich
bis 70 Hz ist.
Einerseits sollen die vorliegenden Ausführungen als Einstieg in die Durchführung und
Evaluation dynamischer Triaxialversuche und andererseits auch als spezifisches
Nachschlagewerk für Formelzeichen, Definitionen und Sachverhalte dienen.
Abstract
Triaxial shear tests offer the possibility to simulate a wide range of phenomenon in nature and
technology as well as researching properties of specific soils. Advanced data collection and
software control due to constant improvements in computer technology provide for individual
definition of parameters and precise analysis of several soils. This thesis focuses on both topics
by firstly observing the compaction behavior of two soils and secondly simulating a steam roller
as well as the effects of a compactor in several depths.
The topic is subordinate to the research and development project TCDyn of G² Gruppe
Geotechnik that focuses on the development of a high-frequency triaxial cell to investigate the
dynamic effects on partially saturated soils up to 70 Hz.
On the one hand this paper is aimed to give an introduction into the implementation of dynamic
triaxial shear tests and on the other it is supposed to serve as a source of references regarding
symbols, definitions and specific issues.
11
1 Ziele der Arbeit
Grundlage der Arbeit ist, erste Erfahrungen mit der Triaxialanlage der HTWK Leipzig, die
während des sechswöchigen Ingenieurpraktikums gesammelt wurden, vom statischen auf den
dynamischen Bereich zu erweitern. In der Nebenbetrachtung standen Untersuchungen zur
Genauigkeit von Messergebnissen, sowie Verbesserungs- und Erweiterungsmöglichkeiten der
Prüfanlage, insbesondere im Hinblick auf den dynamischen Bereich und eine
gegenüberstellende Durchführung von K0- und Oedometerversuch.
Im Zuge der technischen Untersuchungen sollte gleichzeitig eine weitere Beschreibung des
regional typischen Auelehms stattfinden, sowie im Vergleich mit Karlsruher Sand,
Betrachtungen zu einem schwer verdichtbaren Boden. Hiermit waren ebenfalls die Thematik
und Prüfproblematik teilgesättigter Böden einzuschätzen und die Reproduzierbarkeit
homogener Probekörper darzulegen. Den Rahmen dafür präsentieren Experimente zur
Anregungsfrequenz, dynamische CU-Triaxialversuche an beiden Böden und eine
Walzensimulation.
Die Realisierung von verschiedenen Simulationen mit Hilfe des Triaxialprüfgerätes musste die
baupraktische Anwendung auf verschiedenste Vorgänge in bodenmechanischem Feld,
Baumaßnahmen und Tiefbau-, bzw. Spezialtiefbauvorhaben, aufzeigen. Ausführliche grafische
Analysen und Diskussionen der Ergebnisse aus Datenauslesungen bezüglich des
Verformungsverhaltens galt es zu beleuchten.
12
2 Methodik
Die vorliegenden Ausführungen sind das Ergebnis einer intensiven interdisziplinären
Zusammenarbeit mit der Nachwuchsforschergruppe G² Gruppe Geotechnik der HTWK Leipzig
und dem Praxispartner und Hersteller der triaxialen Prüfanlage Geomation GmbH. Neben der
Bereitstellung von Versuchsstand und Software durch die G² Gruppe Geotechnik, gelang über
jene auch ein Treffen mit Experten der FCB GmbH Espenhain, die jahrzehntelange Erfahrungen
auf dem Gebiet der triaxialen Prüfungen besitzen, zu arrangieren. Ein ständiger Kontakt zum
Hersteller und dessen direkte Betreuung dieser Graduierungsarbeit wurden ebenfalls
ermöglicht.
Über den gesamten Bearbeitungsraum hinweg erfolgte eine umfassende Absprache der
vereinzelten Vorüberlegungen und Durchführungsabschnitte. Versuchsschemata für jede
Versuchsreihe wurden mit Betreuern fachlich und technisch analysiert und daraufhin
selbstständig absolviert. Durch die regelmäßige grafische Präsentation und Aufarbeitung der
einzelnen Versuchsergebnisse zu bestimmten Zeitpunkten der Laborphase konnten
Zwischenresultate besprochen und gegebenenfalls Änderungen für Folgeversuche im Anschluss
an fachliche und technische Begutachtung vorgenommen werden.
Nach der zeitlichen Aufwandsanalyse für einzelne Durchführungsschritte begannen
Probekörperherstellung, Laborversuche, Dokumentation, Auswertung und Zusammenfassung.
Die Laborversuche gliederten sich in mehrere Abschnitte mit Vorversuchen und mussten sehr
flexibel in Bezug auf den Durchführungszeitraum angepasst werden, da teilweise schlecht
abschätzbarer Programmier- und Beschaffungsaufwand von Versuchssteuerung und
möglicherweise notwendiger technischer Ausstattung der Prüfanlage bestand, welche sich bis
zum heutigen Zeitpunkt noch im Entwicklungsstadium befindet.
Infolge der Parameterfestlegung ließen sich die Versuche zur Kompression mit verhinderter
Seitendehnung und K0-Versuch zeitlich unabhängig voneinander ausführen. Restliche
Experimente mussten jedoch nacheinander erledigt werden, um die Konsequenzen für
Folgeversuche abzusehen. Dies umfasste die Untersuchung zur Anregungsfrequenz beider
Böden, die Durchführung dynamischer CU-Triaxialversuche an den Böden mit einer Variation
von Last- und Umlagerungsspannung und letztendlich die Simulation einer Walzenüberfahrt mit
verschiedenen Teilschritten, wie die Überprüfung der manuellen Nachsteuerung.
Am Ende der Laborphase konnten Vergleiche von Datenexporten unterschiedlicher Art und
ausführliche grafische Vergleiche illustriert werden. Parallel zum gesamten Prozess geschah die
13
ständige Aktualisierung der Übersicht zu Triaxialversuchen, sowie Dokumentation von
Detaillösungen und Verbesserungsvorschlägen der Triaxialanlage.
Erfahrungen und Probleme bei Probenherstellung und Einbau wurden zusammengetragen, um
dem ungeschulten Auge die wichtigsten Details nahezubringen und reproduzierbare Vorgänge
zu ermöglichen.
Die Erarbeitung von Protokollen und Versuchsanleitungen mit knappen Beschreibungen zum
einfachen Verständnis vieler vereinzelter Sachverhalte war ebenfalls Bestandteil der
Auswertung. Gleichzeitig erfolgte die Ausarbeitung einer umfangreichen Sammlung an
Abkürzungen und Begriffen, die dieses Thema umfassen.
14
3 Stand des Wissens
3.1 Normierung triaxialer Laborversuche
Auf dem Gebiet der bodenmechanischen Laboruntersuchungen nehmen Triaxialversuche einen
sehr speziellen Platz ein. Da sie nicht nur messtechnisch und theoretisch sehr komplex sind,
sondern auch einen hohen Zeitaufwand in Anspruch nehmen, ist plausibel, warum sich wenige
Institute und Labore mit diesem Feld beschäftigen. Hinzu kommt, dass relevante Normen, wie
die DIN 18137-2, den Bereich Triaxialversuche mangelhaft abdecken. Sie beschäftigen sich mit
gesättigten Böden, was natürlich auch die strengste Bedingung darstellt. Ein weiterer
Hintergrund kann die Bestimmung der Volumenänderung des Prüfkörpers über die verdrängte
Wassermenge sein. Andere Normen zum Gebiet sind:
DIN 18137-1 (Begriffe und Randbedingungen),
DIN 18137-2 (Durchführung statischer Triaxialversuche),
DIN ISO/TS 17892 Teil 8 und 9 (Versuchsaufbau und statische Triaxialversuche).
Einzelne Richtwerte signalisieren, dass von Probekörpern sehr geringen Volumens ausgegangen
wurde. Außerdem beschreiben diese Normen ausschließlich statische Versuche, obwohl
zyklische und dynamische Simulationen am Boden relevanter für die Optimierung und
Modifizierung von Baugrund sind, sowie für die ursprüngliche Anwendung im Bereich der
Erdbebensicherheit von Konstruktionen. Die meisten Lehrbücher zum Thema beschäftigen sich
lediglich mit den Inhalten der Norm. Fachliteratur und wissenschaftliche Publikationen in den
Bereichen der Geotechnik und Bodendynamik geben jedoch einen tieferen Einblick in
Anwendung, Aufbau, Durchführung und Hintergrund. Da die Untersuchung von Fragestellungen
zu statischen und zyklischen, bzw. dynamischen Triaxialversuchen ihren Schwerpunkt in der
zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts hatte und in diesem Zeitraum sehr viele einzelne
Forschungsberichte vorhanden sind1, erfolgte in den letzten 20 Jahren eine Validierung und
Zusammenfassung dieser Ergebnisse mit Hilfe verbesserter elektronischer Datenverarbeitung.
3.2 Funktion und Grenzen triaxialer Prüfmaschinen
Triaxiale Versuchsstände sind in der Lage eine Vielzahl an Parametern zu steuern und
aufzuzeichnen. Im Prinzip besteht jede Prüfeinrichtung aus einer Druckzelle, die sich aus
äußerem und innerem System mit Prüfkörper zusammensetzt, und der Prüfpresse, welche in
der Lage ist statische, dynamische oder kombinierte Belastungen aufzubringen, sowie
1 GILBERT, Paul A. (1984). Investigation of density variation in triaxial test specimens of cohesionless soil subjected to cyclic and monotonic loading. Final Report. Department of the Army. Waterways Experiment Station. Vicksburg.
15
elektronische Datenverarbeitung durchzuführen.2 Eine Reihe von Steuer- und Messgeräten hat
dabei die Funktion Zelldruck und Axialdruck (statisch/dynamisch) im äußeren und
Porenwasserdruck im inneren System der Druckzelle zu variieren und gleichzeitig axiale und
radiale Last, Probekörperstauchungen und –dehnungen, sowie den Porenwasserdruck
festzuhalten. Somit sind konsolidierte, unkonsolidierte, dränierte und undränierte triaxiale
Versuche möglich.3 Im Vergleich zu einaxialen Kompressionsversuchen und direkten
Scherversuchen verhilft eine Triaxialanlage zu einer besseren Variation und Registrierung von
Parametern. In dynamischen Untersuchungen bedeutet dies die Feststellung von E-Modul,
Dämpfung und Festigkeitseigenschaften als Bodenkennwerte.4
Zylindrisch eingebaute Probekörper bieten den Vorteil, dass der Zelldruck, der durch entlüftetes
destilliertes Wasser mit Hilfe von Druckluft oder anderer Steuerungstechnik aufgebracht wird,
zwei Normalspannungen, nämlich σ2 und σ3, darstellt. So kommt es auch in der Literatur zu
unterschiedlicher Benennung dieser Komponente, wie etwa nur σ3 oder σ2/3, welche im
Endeffekt ein und dasselbe bedeuten können. Triaxiale Prüfmaschinen sind demzufolge nicht in
der Lage σ2 und σ3 separat voneinander zu steuern. Dies erfolgt gemeinsam und daher wäre die
Bezeichnung einer triaxialen Belastung unter diaxialer Steuerung eher zutreffend. Zusätzlich ist
es mit dem heutigen Systemen nicht möglich bewusst Schubspannungen τ einzubringen, denn
dazu wäre eine komplexere Steuerung des Zelldruckbereiches erforderlich.
Die Softwareanpassung für einzelne baupraktische Anwendungen ist teils sehr zeitaufwendig
und die Vorgabe von Eingangsparametern bedarf eines hohen Erfahrungsgrads in
Bodenmechanik, Geotechnik und Bodendynamik.
3.3 Problembeschreibung für teilgesättigte Prüfungen
BECKER stellte 2012 sehr ausführlich die verschiedenen wissenschaftlichen Meinungen in Bezug
auf das Verhalten von teilgesättigten Böden bei Triaxialversuchen gegenüber.5 Die
Herausforderung liegt, wie in Abbildung 1 ersichtlich ist, in der Steuerung und Messung aller
Phasen des Bodens, wobei die Grenzfläche zwischen Porenluft und Porenwasser schwer bis
nicht registrierbare Auswirkungen auf das Verformungsverhalten innehat. Für eine genaue
Untersuchung von teilgesättigten Böden müssten Steuergeräte für Porenwasserdruck und
Porenluftdruck, sowie Messgeräte dafür vorhanden sein. Ferner ist es notwendig die
Versuchssteuerung mit Daten hinsichtlich der Modelle physikalischer und chemischer Vorgänge
2 Anhang H verfügt über eine grafische Übersicht der zur Verfügung stehenden technischen Komponenten im bodenmechanischen Prüflabor der HTWK Leipzig. 3 Anhang G: aktuelle Version der Übersicht zu Triaxialversuchen. 4 STUDER 2007: Bodendynamik, S. 85: Tabelle 4.5 gibt eine Übersicht zu Labor- und Feldversuchen bezüglich dynamischer Bodenkennwerte. 5 BECKER 2012: Materialverhalten eines teilgesättigten bindigen Bodens unter zyklischer Belastung, S.4-9.
16
zu speisen. Als Beispiel dafür seien an dieser Stelle nur die Saugspannung der Grenzfläche, als
Zone ohne Volumen aber mit Spannung, und der Effekt von salzhaltigen Porenwasser, welches
einen osmotischen Druck6 verursacht, aufgeführt.
Abbildung 1: Dreiphasenmodell des Bodens.
Um Steuerung und Messung des Luftporendrucks zu realisieren, ist es zum einen erforderlich
Druck auf die Luftporen zubringen und andererseits die Volumenänderung dieser Gasphase zu
messen.7 Abbildung 2 zeigt das Verhalten von Böden unterschiedlichen Wassergehaltes bei
zyklischer Belastung auf.
Abbildung 2: Schema zum Einfluss dynamischer und zyklischer Belastung auf Böden. 8
6 KOLYMBAS 2007: 7.2 Osmotische Saugspannung, S. 110. 7 REES Part 2 (GDS Instruments): siehe Anhang G: Übersicht Triaxialversuche. 8 STUDER 2007: Bodendynamik, S. 80, Bild 4.29.
17
4 Herstellung und Einbau von Probematerial
4.1 Allgemeines
Für Laboruntersuchungen sind fortlaufend gleiche Ausgangsbedingungen sicherzustellen,
weswegen die Herstellung der Probekörper für Triaxialversuche einen sehr hohen Stellenwert
einnimmt. Der oberste Grundsatz ist stets, dass eine Probe während Herstellung und Einbau
minimal beeinträchtigt wird. Speziellere Anforderungen, wie eine homogene Dichte nicht nur
von Probekörper zu Probekörper, sondern auch über den Querschnitt jedes einzelnen hinweg,
können über komplexere Verfahren realisiert werden. GILBERT (1984)9 beschreibt in seiner
Arbeit detailliert die relevanten Schritte zur Kontrolle und Gewährleistung einer homogenen
Dichte mittels Gefrierprozessen. Wenn Probekörper als Bohrkerne im Feld entnommen werden,
sollen Gefüge und Festigkeit bei diesem Vorgang unverändert bleiben. Der Wassergehalt wird
durch zügiges Vorgehen und die Anwendung einer Gummihülle oder eines engen, luftdichten
Behälters geschützt. DIN 18137-2 (2011, S. 18 ff.) bietet Ansätze für das Vorgehen bei
standfesten und nichtstandfesten, bindigen Proben, sowie aufbereiteten Böden. Nichtstandfeste
nichtbindige Böden werden dabei nicht aufgeführt, wobei hier möglicherweise ein zuvor
erwähnter Gefrierungsprozess Anwendung finden könnte. Eine Kontrolle von Wassergehalt und
Abmessungen des Probekörpers ist jederzeit erforderlich, also auch nach Abschluss des
Scherversuches, bzw. dem Ausbau aus der Druckzelle.
In dieser Bachelorarbeit wurden Auelehm (TL) und Karlsruher Sand (SE) als zu untersuchende
Böden gewählt. Der Auelehm wurde von einer Dammbaustelle in Löbnitz (Nordsachsen)
akquiriert und der Karlsruher Sand war bereits im Labor vorrätig vorhanden. SE ist ein schwer
verdichtbarer Boden, der aufgrund eines hohen Porenanteils ein gutes Verformungsverhalten
aufweist. Im Raum Leipzig ist Auelehm ein häufig vorkommendes feinteilhaltiges Material und
somit interessant für Laboruntersuchungen. Die Probekörper (TL) wiesen einen Wassergehalt
von 14,3 % (siehe Anhang A.1) auf, was mit einer 97%igen Proctordichte korreliert (Anhang
A.2). Eine Betrachtung der Durchschnittswerte aller TL-Feuchtdichten in Bezug auf den
Wassergehalt ergab jedoch, dass eine mittlere Trockendichte von 1,76 g/cm³ vorlag. Dies
entspricht 100% der Proctordichte, stellte aber kein Problem dar, da eine Verdichtung über
100% möglich ist. Maximaler Ausgangswert war 102% Proctordichte bei Probekörper T24,
welcher für den K0-Versuch verwendet wurde. Auelehm wird beispielsweise für den Einbau in
Dammkonstruktionen verwendet um Unterbau und Zwischenschicht zu realisieren. In den
folgenden Kapiteln wird aufgezeigt, dass unter anderem genau dieser baupraktische
Hintergrund nachgestellt wurde, indem ein vorverdichtender Einbau erfolgte und nach diesem
9 nach GILBERT (1984) Part 2 Experimental Procedure (S. 11-30): Reconstitution, Initial Freezing, Lathing, Placement in Triaxial Chamber, Thawing, Saturation, Consolidation, Loading, Refreezing, Dissection, Analysis, Numerical Evaluation.
18
frischen Einbau eine dynamische Nachverdichtung, bzw. Belastung, mit einem Zeitfenster von 2
Stunden (Konsolidation) stattfand. Karlsruher Sand ist ein enggestufter Sand und feinteilarm.10
Durch diese Eigenschaften verschafft SE eine günstige Grundlage zur Untersuchung der
Verformungseigenschaften im dynamischen Bereich und ermöglicht einen einfachen und leicht
reproduzierbaren Probeneinbau. Um Komplikationen im Ablauf zu verringern wurden alle drei
Druckzellen (50mm) im Vorfeld neu abgedichtet, auf Vollständigkeit und Vollzähligkeit geprüft
und sämtliche Ventile beschriftet, gereinigt und mit Druckluft alle Bauteile auf Funktion geprüft.
Durch das Anlegen von kopfseitigem Unterdruck können Lufteinschlüsse während des Einbaus
verhindert werden.
4.2 Vorbereitung und Einbau von Auelehm (TL)
Die Sicherung des Probenmaterials erfolgte am 18.05.2016 an einer Deichbaustelle in Löbnitz im
Norden von Sachsen. Im Anschluss wurde das Material geschützt, luftdicht bei verhinderter
Sonneneinstrahlung gelagert und der Wassergehalt bestimmt, sowie vom 19.05.2016 auf den
20.05.2016 24 Probekörper (T11 bis T34) hergestellt. Probekörper T25 bis T34 dienten als
Reservematerial. Diese hohe Anzahl an Reservekörpern wurde gewählt, da in
Probenvorbereitung, -einbau und Versuchssteuerung der verschiedenen Experimente
Komplikationen der Abläufe zu erwarten waren. Die Notwendigkeit zusätzlicher Vorversuche
konnte nicht ausgeschlossen werden. Jeder Probekörper wurde in der im Folgenden
beschriebenen Reihenfolge einzeln selbstständig angefertigt.
Bei der lagenweisen Verdichtung mittels automatischen Proctor wurden ein Zylinder mit einem
Innendurchmesser von 100 mm und einer Höhe von 120 mm, sowie ein Aufsatz verwendet. Im
Anschluss erfolgten die vorsichtige Abnahme des Aufsatzes und eine Bearbeitung der
überstehenden Oberfläche mittels Stahllineal mit Schneide. Daraufhin begann ein langsames
hydraulisches Auspressen des Probekörpers aus dem Proctortopf. Eine anschließende
Aufnahme von Durchmesser, Höhe und Gewicht mit digitalen Messschieber und Waage, ging der
Reinigung des Proctortopfes und der sorgfältigen Lagerung in luftdichter Folie voraus.
Tabelle 1: Feuchtdichten der Probekörper (TL, d0=100mm).
Proben 100mm [Nr.] T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 Feuchtdichte [g/cm³] 2,03 2,03 1,94 2,00 1,95 1,97 2,00 2,03 2,03
Proben 100mm [Nr.] T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 Feuchtdichte [g/cm³] 2,03 2,04 2,05 2,04 2,06 2,04 2,04 2,04 2,05
Proben 100mm [Nr.] T29 T30 T31 T32 T33 T34 Feuchtdichte [g/cm³] 2,03 2,03 1,94 2,00 1,95 1,97
10 Im Bodenmechanischen Datenblatt (Anhang A.3) sind nähere Informationen zum Probenmaterial Karlsruher Sand aufgeführt.
19
Eine Verwendung von kleineren Druckzellen führt zu geringerem Verbrauch von entlüftetem
destilliertem Wasser.11 Gleichzeitig ermöglicht dies die parallele Vorbereitung der Probekörper
für Versuchsreihen, denn für Probekörper bis 50 mm drei Zellen zur Verfügung standen und für
Größen bis 100 mm Durchmesser nur eine Druckzelle, die durch ihr hohes Gewicht im befüllten
Zustand Transportprobleme hervorruft. Ein zügiger Ablauf, sowie intensive Ausnutzung der
Triaxialanlage sind dabei bewusst induzierte Effekte. Diese Vorgehensweise ist für die
Durchführung von Aufträgen zu statischen triaxialen Versuchen empfehlenswert, da hier jeweils
drei Teilversuche zur Konstruktion der Spannungskreise und Berechnung von Kohäsion und
Reibungswinkel nötig sind.
Zur Herstellung von TL-Probekörpern im Durchmesser 50 mm wurden Proben im Durchmesser
von 100 mm mit Hilfe eines Ausstechzylinders für bindige Böden und einer hydraulischen
Presse direkt vor dem Probeneinbau angepasst.
Tabelle 2: Feuchtdichten der Probekörper und Verwendung (TL, d0=50mm).
Proben 50mm [Nr.] Feuchtdichte [g/cm³] Verwendung T11 2,03 Sättigung
T12 2,03 Konsolidation
T13 - Oedometerversuch
T14 2,00 Anregungsfrequenz 1 Hz
T15 1,93 Anregungsfrequenz 15 Hz
T16 1,93 Anregungsfrequenz 30 Hz
T17 1,99 Anregungsfrequenz 60 Hz
T18 1,99 Variation 0,5 m 60 Hz
T19 1,98 Variation 1,0 m 60 Hz
T20 1,99 Manuelle Nachsteuerung
T21 1,98 Variation 2,5 m 60 Hz
T22 2,04 Walzenüberfahrt Phase 1
T23 2,04 Walzenüberfahrt Phase 2
T24 - K0-Versuch, Querdehnung
Für die Sicherstellung eines homogenen Probekörperbildes ist eine Kontrolle der Feuchtdichte
dieses Prozesses vonnöten. Abbildung 3 liefert hierzu den Vergleich der Feuchtdichten aus
Tabellen 1 und 2. Ebenso liefert Tabelle 2 einen Überblick zum zeitlichen Ablauf, bzw.
schrittweisen Vorgehen und Inhalt der Experimente am Triaxialstand. Es ist festzustellen, dass
11 Kapitel 5.2 zeigt auf, dass große Druckzellen teilweise mehr als die dreifache Menge an entlüfteten destillierten Wasser verbrauchen. Der Entlüftungsprozess für 20 Liter destilliertes Wasser nimmt mit der vorhandenen Einrichtung (Kompressor mit Unterdruck) bis zu 8 Stunden in Anspruch.
20
das verwendete Ausstechverfahren geeignet ist, denn die Dichten schwanken um 0,05 g/cm³.
Dies ist gleichzeitig ein Zeichen für eine homogene Dichte im horizontal betrachteten
Probekörper.
Abbildung 3: Feuchtdichten der TL-Probekörper bei d=100 mm und d=50 mm im Vergleich.
Transport des ausgestochenen 50 mm Probekörpers für den Einbau in die Druckzelle geschah
im Ausstechzylinder horizontal. Dieser wurde dann, durch den Filterstein unterseitig vorm
Herausfallen geschützt, horizontal auf das Bodenstück der Druckzelle aufgerichtet und im
Anschluss der Ausstechzylinder vorsichtig abgezogen. Dies geschah mit einer Drehbewegung
und das Abheben des Probekörpers konnte durch einen Stahlstempel im Durchmesser 50 mm
verhindert werden.
Ab diesen Zeitpunkt ist der Einbau in große und kleine Druckzelle identisch und vereinfacht
grafisch aufgeführt in Anhang H: Technische Systemübersicht.
Nach dem Aufsetzen von kopfseitigem Filterstein und weißem Stempeladapter, erfolgte der
Einschluss in die Membran mittels Kompressor und Führungsrohr im entsprechenden
Durchmesser. Vollständige Trennung von äußerem und innerem System vollzog sich beim
Aufziehen von drei Gummiringen zur finalen Abdichtung des inneren Systems. Es ist ratsam
diese drei Gummiringe mit Hilfe des Führungsrohres oder einer Stahlspange aufzubringen, um
eine Beeinträchtigung der Probe auszuschließen. Ebenfalls ist es umsetzbar, die zwei unteren
Gummiringe bereits vor dem Aufsetzen der Probe überzuziehen. Eingeschlossene Luft im
inneren System kann mit Hilfe des Kompressors abgesaugt werden. Der Anschluss dazu findet
am kopfseitigen weißen Stempeladapter statt. Hier ist gleichermaßen die Anschlussmöglichkeit
für die kopfseitige Dränage gegeben. Im Anschluss werden Gehäuse und Kopfplatte mit drei
Stangen, sowie oberen und unterem Dichtungsring, festgezogen. Das Befüllen der Druckzelle mit
entlüftetem destilliertem Wasser zum Aufbau des Zelldruckes für die Triaxialversuche geschieht
fußseitig über das σ3-Ventil. Auf das Entweichen der eingeschlossenen Luft mittels kopfseitigen
Luftventil ist zu achten. Weiterhin ist die Arretierung des Kopfstempels per Kopfstück mittels
Feststellschraube durchzuführen, um Schäden am Probekörper während Einbau, Befüllung oder
Transport zu verhindern.
1.9
2
2.1
T11 T12 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22
Schwankung der Dichte
100 mm 50 mm
21
4.3 Einbau von Karlsruher Sand (SE)
Wie im bodenmechanischen Datenblatt (Anhang A.3) zu sehen ist, handelt es sich hierbei um
einen enggestuften Sand. Der Einbau in die triaxiale Druckzelle erfolgte bei den Versuchen zur
Anregungsfrequenz locker mit aufklappbarem Former und Kompressor mit Membran direkt auf
dem Fußstück der Druckzelle mit Filterstein. Für die Folgeversuche wurde ein dichter Einbau
mit einer Amplitude von 0,6 in drei Schritten je eine Minute am Rütteltisch als idealste Variante
ermittelt. Tabelle 3 führt hierzu die gemessenen Dichten und Zuordnung zum jeweiligen
Versuchsabschnitt auf. Der Wassergehalt des vorliegenden Materials bezog sich auf 2 bis 3 %.
Tabelle 3: Einbaudichten von Karlsruher Sand bei lockerem und dichtem Einbau in die triaxiale Druckzelle.
Versuch Anregungsfrequenz Variation
Probekörper S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
Einbaudichte [g/cm³] 1,52 1,52 1,53 1,54 1,68 1,66 1,66
Anbringen der Abdichtungsringe, sowie Entlüftungsprozess, Installation von Gehäuse und
Kopfplatte und Befüllung mit entlüftetem Wasser sind mit dem Einbau von TL identisch. Die
Herstellung der Probekörper erfolgte immer direkt vor dem Versuch da hierfür ein geringer
Zeitaufwand notwendig war.
4.4 Komplikationen und Empfehlungen in Herstellung und Probeneinbau
Um bindige Proben möglichst homogen und ungestört herzustellen und in eine Druckzelle für
Triaxialversuche einzubauen, müssen viele Details beachtet werden. Zur Optimierung des
Arbeitsaufwandes, wurden genügend Auelehm-Proben und Reserveproben mit dem gleichen
Wassergehalt von 14,3 % hergestellt. Beim Ausstechen der Auelehm-Probekörper auf 50 mm,
kam es anfangs zu Brüchen in genau den drei Zonen die lageweise charakteristisch sind für die
normgerechte Verdichtung mittels automatischen Proctor.
Abbildung 4: Zonenbruch, Ausstechequipment und drei vollständige Druckzellen von TL.
22
Zwecks Verhinderung von Brüchen wurde anfangs versucht die Probe direkt aus dem 100 mm
Proctortopf mit Hilfe der hydraulischen Presse und des Ausstechzylinders von 50 mm zu
gewinnen. Dies schlug jedoch fehl und der Proctortopf wurde im Fortgang nicht weiter
verwendet.
Anhand der Dichte-Kontrolle (Abbildung 3) ist ersichtlich, dass angesichts der im Folgenden
beschriebenen Vorgehensweise ein 50 mm Probekörper ohne Veränderung der Dichte aus
einem 100 mm Probekörper hergestellt werden konnte. Dabei wurde der Originalkörper, T11
genannt, in eine hydraulische Presse gestellt und darauf der Ausstechzylinder 50 mm. Da Kopf
des Ausstechzylinders und Fuß des Probekörpers mit breiten Metallscheiben belegt waren, fiel
es nicht schwer den Ausstechzylinder mittels Hydraulik vorsichtig in den Originalkörper
einzudrücken und so den neuen Probekörper zu gewinnen. Jener wurde im Ausstechzylinder
gemessen und anschließend bewegungsarm direkt auf das Fußstück der Triaxialdruckzelle mit
Filterstein aufgebracht. Alternativ könnte für eine geringere Wandreibung beim Ausstechen
auch ein Ausstechzylinder aus Plastik verwendet werden, der zuvor mit zwei verstellbaren
Schlauchschellen etwas zusammengedrückt wird, um nach dem Ausstechen durch deren
Lockerung ein leichtes Herauslösen des Probekörpers zu gewährleisten. Damit man
anschließend weitere Einwirkungen auf den nun sehr anfälligen Probekörper vermeiden wollte,
wurde dieser sofort in die Druckzelle eingebaut und mittels Kompressor und Ansaugzylinder in
eine Latexhülle gesichert.
Falls Prüfkörper im gefrorenen Zustand vorliegen, empfiehlt es sich einen erhitzten
Ausstechzylinder, der eventuell in warmem Wasser gelagert wurde zum Ausstechen von
Material zu verwenden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Ausstechzylinder nicht eine zu
große Hitze abstrahlt, die Einfluss auf die gefrorene Hauptstruktur nimmt.
Eine ständige Kontrolle der Abdichtung und richtigen Anordnung der Dichtungsringe zur
Halterung der Membran und Abdichtung von Kopf- und Fußplatte ist sehr empfehlenswert, denn
hier kann es infolge kleiner Fehler bereits zum Versagen des gesamten Mechanismus der
Apparatur kommen. Eingeschlossene Luftansammlungen zwischen Membran, Probekörper und
Filtersteinen können durch das Anlegen eines kopfseitigen Unterdruckes vermieden werden.
Für Sandproben ist aufgrund der Instabilität des Probenzylinders ein dichter Einbau zu
empfehlen, wenn es sich um Proben mit geringem Durchmesser (< 70 mm) handelt.
23
5 Der K0-Versuch
5.1 K0-Versuch und einaxialer Kompressionsversuch
Der K0-Test ist eine Sonderform von Triaxialversuchen und vergleichbar mit einem
Oedometerversuch (Last-Setzungs-Versuch). Axiale und radiale Belastung auf einen Boden in
bestimmter Tiefe stehen im Ruhezustand in einem Verhältnis, welches durch den sogenannten
Erdruhedruckbeiwert (K0-Wert) ausgedrückt wird.
Im Oedometerversuch ist die radiale Ausdehnung verhindert und genau dies musste
messtechnisch und steuerungstechnisch mit der Triaxialanlage umgesetzt werden.
Herkömmlicherweise wird mit Hilfe von Radialsensoren, die in der Druckzelle am Probekörper
angebracht sind, die radiale Dehnung gemessen und mit Hilfe dieser Information der Zelldruck
nachgesteuert. Da Radialsensoren zum Zeitpunkt der Experimente nicht zur Ausstattung der
Triaxialzelle gehörten und die Programmierung der Versuchssteuerung zur Nachsteuerung des
Zelldruckes anhand der durch radiale Ausdehnung geschehenden Wasserverdrängung sich als
zu komplex herausstellte, wurde eine dritte Methode durchgeführt, die im Kapitel 5.3
abgehandelt wird.
Charakteristisch für den K0-Versuch ist, dass die verhinderte Radialdehnung messtechnisch
erfasst wird und keine Wandreibung auftritt.
Abbildung 5: Schematische Anordnung zum Versuchsaufbau eines K0-Versuchs.12
12 Quelle: BASSEM 2012: Materialverhalten eines teilgesättigten bindigen Bodens unter zyklischer Belastung, S. 69.
24
HORNIG führte bereits 2007 einen Vergleich zwischen Oedometertest und K0-Versuch durch
und stellte fest, dass bei vorbelasteten, überkonsolidierten, verfestigten und festen Böden
Oedometerversuche ungenauer sind, Oedometertests unter Erstbelastung viel zu kleine und
unter Wiederbelastung zu kleine oder viel zu große Steifemodule, sowie zu hohe Werte für
Setzungen erbrachten. Die Ursache dafür wird im Probeneinbau und den Probenabmessungen
gesehen, da HORNIG die Probenüberreste des Oedometerversuches für den K0-Versuch
benutzte, was der Vorteil der Triaxialdruckzelle ist, denn diese ist in ihren Probenabmessungen
nicht derartig eingeschränkt wie die Oedometerringe. Messergebnisse konnten mit
Plattendruckversuchen an Einzelfundamenten und einer Fundamentprobebelastung als
Großversuch verglichen werden.
5.2 K0-Versuch mit Wasserverdrängung
Wie bereits erwähnt, wurde die Möglichkeit in Betracht gezogen, die Radialdehnung anhand der
Wasserverdrängung aufzunehmen. Grundlage für diesen Gedankengang ist die Annahme, dass
maximale Verformungen im mittleren Drittel des Probekörpers zu erwarten sind und die
Mantelfläche als maximale Fläche durch den Zelldruck gesteuert wird.
Die nachfolgende Tabelle 4 führt Vorüberlegungen zur Auswahl der Probekörpermaße für einen
K0-Versuch auf. Dazu wurde die Dehnung von Auelehm aufgrund von vorangegangenen UU-
Versuchen mit 0,08 % angenommen und verglichen, welche Wasserverdrängung zu erwarten
ist, je nach Probekörpermaßen und Verwendung einer kleinen oder großen Druckzelle. Als
wirtschaftlichste Variante gilt eine Probe mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Höhe von
12 cm, da hier eine geringe Menge entlüftetes destilliertes Wasser benötigt wird und dennoch
eine verhältnismäßig große Verdrängung von Zellwasser zu erwarten ist.
Tabelle 4: Vergleich der möglichen Wasserverdrängung verschiedener Druckzellen und Probekörpergrößen.13
gew ε d [cm] h[cm] ΔV [ml] Vc [ml] Vc/ΔV
0,08 5 12 18,8495559 1100 58,3568125
0,08 7 7 21,5513256 8000 371,206864
0,08 7 12 36,9451296 7800 211,123904
0,08 10 12 75,3982237 7300 96,819257
0,08 10 25 157,079633 6300 40,1070457 Wie bereits erwähnt gestaltete sich die Programmierung der Versuchssteuerung als zu
schwierig und es wurde auf eine andere Variante zurückgegriffen.
13 Δh = Setzung, V0 = Anfangsvolumen, ε = 8% Dehnung entnommen aus Voruntersuchungen (UU-Versuch), h * ΔV = Δh, ΔV = ε*h0, ΔV = π/4 *h0 * d² * ε (in cm gibt ml der verdrängten Wassermenge).
25
5.3 K0-Versuch mit Querdehnung
Aufgrund steuerungstechnischer und ausstattungstechnischer Herausforderungen wurde der
Zelldruck anhand des Querdehnungsparameters ν (Poisson-Zahl)14 nachgesteuert. Diese wurde
auf 0,35 festgelegt. Tabelle 5 führt die damit verbundenen Eingangsparameter auf. Die axiale
Belastung aus dem Oedometerversuch wurde für den K0-Versuch übernommen und daraus
ergaben sich die Radialspannungen σ3 der einzelnen Laststufen für die Triaxialanlage. Mit einer
Laufzeit von acht Stunden je Laststufe, wobei beim einaxialen Kompressionsversuch 3,5 Tage
gewählt wurden, um die Achtstundenmarke hinreichend aufzuzeichnen, betraf die
Gesamtlaufzeit unabhängig voneinander knapp eineinhalb Tage.
Tabelle 5: Zelldrucknachsteuerung mit ν=0,35. σ3=σ1*ν/(1-ν).
Laststufe σ1 [kN/m²] σ3 [kN/m²] 1 25 13,46 2 50 26,92 3 100 53,85 4 200 107,69
Probekörperabmessungen wichen wegen des Einbringens in den Oedometerring in den
Versuchen voneinander ab. Der Probekörper T13 wurde in die Stahlform eingepasst mit einem
Durchmesser von 70 mm und einer Höhe von 19,9 mm, was in einem Gesamtvolumen von
76,584 cm² resultierte. Im Triaxialversuch hingegen konnte der komplette Probekörper T24
verwendet werden. Aus der Höhe 12,1 cm und dem Durchmesser 10 cm, resultierte ein Volumen
von 945,62 cm². Obwohl die Durchmesser nur um 3 cm voneinander abweichen, verursachen sie
in Kombination mit der Höhe eine Volumendifferenz von 91,9 %.
14 nach K. Simmer. Grundbau 1: Bodenmechanik, Erdstatische Berechnungen. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH(18. Auflage).
26
6 Dynamische Triaxialversuche
6.1 Vorbetrachtungen
Die Untersuchungen konzentrierten sich auf zwei Hauptfelder. Zum einen dynamische CU-
Versuche an SE und TL und andererseits die Simulation einer Walzenüberfahrt an TL. Für beide
Experimente waren Vorversuche notwendig. Zur besseren Strukturierung und Analyse wurden
für jede Versuchsreihe Durchführungsschemata15 erstellt und mit technischen und fachlichen
Betreuern hinsichtlich der Parameter, Durchführbarkeit und bautechnischem Hintergrund
intensiv diskutiert. Während und nach den einzelnen Abschnitten erfolgte die grafische
Präsentation der Ergebnisse, um Schlussfolgerungen für Folgeparameter, Fehleranalysen und
Grenzen im Arbeitsbereich der Triaxialanlage festzustellen.
6.2 Sättigung und Konsolidation
Nach deutscher Norm ist es erforderlich Probekörper zu sättigen. Hintergrund dafür ist die
Generierung des ungünstigsten Zustandes, sowie die zu hohen technischen Anforderungen an
Triaxialgeräte zur Erfassung der Interaktion von Luftporen und Porenwasser. Die Sättigung
erfolgt üblicherweise durch Aufbau eines Porenwasserdruckgefälles an kopf- und fußseitiger
Dränage der Druckzelle. Dies kann pneumatisch oder direkt durch die Triaxialanlage stattfinden.
Der B-Test ist als Kontrolle empfehlenswert.16 Da Sättigungsvorgänge bis zu einer Woche oder
länger andauern können, wurde aufgrund der Zeitkomponente und der technischen
Laborausstattung auf die Sättigungsphase verzichtet.
Die Konsolidation17 dient der Versetzung des Prüfkörpers in einen Anfangs- oder
Ursprungszustand und kann somit verschiedenste bautechnische Hintergründe simulieren. Für
einige der Folgeversuche wurde eine Konsolidationszeit von zwei Stunden gewählt, um einen
derartigen Anfangszustand zu erzeugen. Bautechnisch gesehen wurde der Boden (TL) also zwei
Stunden vor einer bestimmten Einwirkung oder Verdichtungsmaßnahme in eine bestimmte
Tiefe eingebracht. Insbesondere bei weniger standfesten Böden (SE) ist darauf zu achten, auch
abhängig vom Probekörperdurchmesser, dass Zelldruck und Axialdruck langsam und
gleichzeitig, eventuell sogar schrittweise, aufgebaut werden, weil es sonst bereits während der
Konsolidationsphase zum Bruch kommt. Eine schrittweise Applikation von Zelldruck sollte
durch Induktion von Zelldruck vor Axialdruck erfolgen. Herkömmlicherweise ist die isotrope
Konsolidation üblich.
15 Siehe Anhänge: C.1 Versuchsschema Anregungsfrequenz, D.1 Versuchsschema zyklische/dynamische CU-Versuche, E.1 Versuchsschema Simulation Walzenüberfahrt. 16 Protokoll B-Test: siehe Anhang I. 17 Definitionen zur Konsolidation finden sich im Glossar.
27
6.3 Versuche zur Anregungsfrequenz
Um eine geeignete Frequenz für Folgeversuche zu bestimmen, ist eine Untersuchung hinsichtlich
der Datenerfassung und des Arbeitsbereiches der Triaxialanlage erforderlich gewesen. Die
Möglichkeit einen Bodenkörper von 1 bis 90 Hz, oder drei Proben in Stufen von 1-20, 21-40 und
41-60 Hz18 hintereinander zu prüfen ist nicht geeignet, da dieser Probekörper demzufolge
verschiedenste Frequenzen durchlaufen hätte und keine Aussage zu einer bestimmten Frequenz
mehr gesichert wäre. Eine Bestimmung relevanter Einzelfrequenzen bezüglich der in Tabelle 6
aufgeführten Ausgangsparameter war aus diesem Grund nötig.
Tabelle 6: Phase 1 Anregungsfrequenz: Eingangsparameter im Versuchsschema.
A1 TL A2 SE Axialdruck σ1 [kN/m²] 20 20
dyn. Auflast σd [kN/m²] 55* 55*
Zelldruck σ3 [% von σ1] 50 70
Frequenz f [Hz] 1…90** 1…90**
Vorversuche ergaben, dass nur im Bereich von 1 bis 10 Hz eine gute Ausführung seitens der
Triaxialanlage durchführbar ist und ab 15 Hz eine manuelle Nachsteuerung der Auflast aus
dynamischen und statischen Anteil notwendig wird, damit Sollwerte erzielt werden.
Fehlerursachen dafür können in zu langsamer Datenerfassung und zu starkem
Setzungsverhalten, aufgrund von Feinkörnigkeit, Sandanteil im Auelehm, Porenräumen und
Lufteinschlüssen liegen. Eine schnelle Datenerfassung ist unabdingbar.
Je Boden wurden vier Probekörper unter den Frequenzen 1 Hz für Zyklik, 15 Hz für Dynamik, 30
Hz für den Arbeitsbereich häufig verwendeter Verdichtungsgeräte und 60 Hz für den
Grenzbereich der Prüfmaschine getestet. Eine Konsolidationsphase fand nicht statt. Zell- und
Axialdruck wurden, wie in Anhang C ersichtlich ist, mit einer Einbautiefe von 1 m gewählt und
entsprechen somit auch dem Mittelwert der Folgeversuche. Eine dynamische Last konnte aus
dem Datenblatt einer Rüttelplatte der Firma Bomag ermittelt werden.19 Die Versuchssteuerung
erfolgte mit dem Programm GeoDESC als manueller Versuch ohne Steuerung und dazugehörige
Protokolle dazu befinden sich in Anhang C.
Die manuelle Nachsteuerung der force amplitude geschah in kleinen Schritten vom errechneten
Ausgangswert 0,108 kN, um den Boden nicht einer Last auszusetzen, die größer ist als die
angedachte Einwirkung. Somit ist gewährleistet, dass beispielsweise ein Verdichtungsgerät
heranfährt und einige Sekunden vergehen, bis es sich direkt über dem Bodenabschnitt befindet
18 60 Hz entspricht Grenze für Sauberkeit der Ergebnisse nach Hersteller und 90 Hz Leistungsgrenze der Maschine. 19 Anhang F.1: Datenblatt der Rüttelplatte und Berechnung im Anhang C.1 Versuchsschema.
28
und der volle Lasteintrag mit voller Amplitude vollzogen wird. In den Folgeversuchen ist
dadurch die Größe der Nachsteuerung bekannt und diese Ungenauigkeit von Anfang an
beseitigt.
6.4 Zyklische CU-Triaxialversuche
Für die zweite Phase zur Untersuchung der Verdichtungsarbeit einer Rüttelplatte auf TL und SE
in verschiedenen Einbautiefen wurde eine Konsolidationsphase von zwei Stunden gewählt.
Hintergrund dafür ist die Simulation eines bereits zwei Stunden zuvor erfolgten Einbaus des
Bodens. Axiale und radiale Lastkomponente infolge der Einbautiefen von 0,5 bis 2,5 Meter
wurden beaufschlagt. Der Versuch ging undräniert vonstatten, aufgrund der Teilsättigung und
technischen Ausrüstung der Anlage. Infolge der vorangegangenen Experimente zur
Anregungsfrequenz wurde die Frequenz 60 Hz gewählt, was ersichtlich ist aus dem Kapitel 7.1.2
zur Auswertung dieser ersten Versuchsreihe. Während der Konsolidation wurde die Abtastrate
der Aufzeichnungen auf 30 Sekunden gehalten und ab dem dynamischen Lasteintrag auf eine
Sekunde, bzw. 250 Hz, erhöht. Dies geschah um einerseits die Datenmenge gering zu halten und
somit die Auslesezeit zu verkürzen und andererseits die bedeutsamen ersten zehn Minuten ab
dynamischen Lasteintrag genauer aufzuzeichnen. Hiermit wird das Wirtschaftlichkeitskriterium
im Blick auf die Verdichtungsarbeit der Rüttelplatte erfasst.
Tabelle 7: Phase 2 Variation der Last- und Umlagerungsspannungen: Eingangsparameter im Versuchsschema.
Tabelle 8: Phase 2 Variation der Last- und Umlagerungsspannungen: manuelle Nachsteuerung.
force force amplitude force amplitude
Tiefe [m] σ3 [kN/m²] σ1 σd (σ1 + σd)soll σd,neu
0,5 8 0,0196 0,108 0,1276 0,215
TL 1,0 10 0,0393 0,108 0,1473 0,215
2,5 15 0,0983 0,108 0,2063 0,21
0,5 9 0,0196 0,108 0,1276 0,21
SE 1,0 14 0,0393 0,108 0,1473 0,215
2,5 25 0,0983 0,108 0,2063 0,21
Tabellen 7 und 8 führen die Eingabeparameter genauer auf. Die zweite Phase der Betrachtung
zur Variation von Last- und Umlagerungsspannung wurde analog zu den Versuchen der
Anregungsfrequenz durchgeführt und ausgewertet. Demzufolge befinden sich in Anhang C die
B1 TL B2 TL B3 TL B4 SE B5 SE B6 SE Axialdruck σ1 [kN/m²] 10 20 50 10 20 50 dyn. Auflast σd [kN/m²] 55 55 55 55 55 55 Zelldruck σ3 [% von σ1] 80 50 30 90 70 50
Frequenz f [Hz] 60 60 60 60 60 60
29
Protokolle zu Vorbereitung des Versuchsstandes, Durchführung und grafischer Auswertung und
im Anhang D.1 nur das Versuchsschema. Die Auslesung der SD-Exportdateien hatte einen
großen Einfluss auf die Durchführung dieser Phase, da hierfür teilweise drei bis acht Stunden
pro Versuch notwendig waren. Zur Validierung der Ergebnisse aus den Versuchen zur
Anregungsfrequenz wurden die zwei Versuche in 1,0 Metern Tiefe während dieser Phase
wiederholt und mit einer Konsolidationsphase berücksichtigt.
6.5 Simulation Walzenüberfahrt
Um die Überfahrt einer Walze mit Hilfe der Triaxialanlage zu simulieren wurde der Auelehm TL
als zu untersuchender Boden gewählt, da jener in Vorversuchen bereits gute Prüfeigenschaften
aufwies. Gleichzeitig erfolgte die Auswahl einer für den Erdbau spezifischen mittelgroßen
Walze: BOMAG BW 211 D-520. Die Durchführung hatte drei Schritte: Festlegung der manuellen
Nachsteuerung anhand eines Kunststoffkörpers, Phase 1 (Simulation Start der Walze) und Phase
2 (fünf Überfahrten).21
Abbildung 6: Kunststoffkörper in der Druckzelle, TL: Einbau in 50er Druckzelle, 50er Druckzelle in der Prüfpresse.
In Vorversuchen zur Nachsteuerung der Lastamplitude, die hier genauso notwendig waren wie
bei den vorangegangenen Tests an SE und TL im Vergleich, musste festgestellt werden, dass eine
100-prozentige Überfahrt bei 30 Hz nicht realisierbar war. Wie aus Tabelle 9 ersichtlich ist,
konnte die manuelle Nachsteuerung bis 60% von dynamischer und statischer Lastzugabe
vollzogen werden, da 1 kN die Grenze der Prüfmaschine für die Kraftamplitude ist. Somit wurde
ein 50%iger Eintrag von dynamischer und statischer Last der Walze für Phase 2 festgelegt
(Abbildung 7).
20 Relevante Spezifikationen der Walze gemäß Anhang F.2 Walze: Zentrifugalkraft 158 kN, W = 2130 mm, Annahme: Walze gräbt sich auf 20 cm Breite ein (A=2,13 x 0,2 m), statische Linienlast 26,6 kg/cm, Frequenz 30 Hz. 21 Anhang E: Versuchsschema und Durchführung der Walzensimulation.
30
Tabelle 9: Simulation der Walzenüberfahrt: Ergebnisse aus manueller Nachsteuerung.
% F1 [kN] Fd [kN] F1+Fd [kN] Fd,neu [kN] 10 0,0419 0,0728 0,1147 0,14 20 0,0445 0,1456 0,1901 0,285-0,291 30 0,0471 0,2184 0,2655 0,425 40 0,0497 0,2912 0,3410 0,545-0,570 50 0,0523 0,3640 0,4230 0,70 60 0,0549 0,4368 0,4917 0,82 80 0,0601 0,5824 0,6425 -
100 0,0653 0,7280 0,7933 -
In Phase 1 konnte der konsolidierte Probekörper mit einer fünfminütigen Pause jeweils für 30
Sekunden mit 40 % des Eintrags der Walze untersucht werden. Eingabeparameter dazu finden
sich in Tabelle 10 und Herleitungen entsprechend wieder im Anhang E.
Tabelle 10: Phase 1 Simulation Walzenüberfahrt: Eingabeparameter bei 40% dynamischer und statischer Walzenlast.
Zeit [min] σ3 [kN/m²] F1 [kN] F1Walze [kN] ΣF1 Fd [kN] Konsolidation 120 10 0,0393 - 0,0393 -
Start Walze 0,5 10 0,0393 0,026 0,0497 0,545 Pause 5 10 0,0393 - 0,0393 -
Start Walze 0,5 10 0,0393 0,026 0,0497 0,545 Pause 5 10 0,0393 - 0,0393 -
Start Walze 0,5 10 0,0393 0,026 0,0497 0,545 Endzyklus 5 10 0,0393 - 0,0393 -
Für Phase 2 konnte die Versuchssteuerung soweit angepasst werden, dass ein Eintrag von
dynamischer und statischer Last der Walze, zusätzlich zur Simulation eines Einbaus des Bodens
in 1 m Tiefe nach einer Liegezeit von zwei Stunden (Konsolidationszeit zwei Stunden) in den
jeweiligen prozentualen Schritten im Zeitraum von je drei Sekunden erfolgte. Dieser 27-
sekündige, stufenartige Eintrag von Eigenlast und dynamischer Verdichtung der Walze mit
jeweils fünfminütigen Pausen ist in Anhang E genauer aufgeführt.
Abbildung 7: Phase 2 Simulation Walzenüberfahrt: Schema für 50%ige statische und dynamische Walzenlast.
31
7 Bewertung der Versuche
7.1 Diskussion der Versuchsergebnisse
7.1.1 K0- und Oedometerversuch
Abbildung 8 kombiniert den grafischen Verlauf des Setzungsverhaltens von TL während
Oedometer- und K0-Versuch. Wie in Kapitel 5.3 erläutert wurde ergibt sich der zeitliche Versatz
der Kurven aus den unterschiedlichen Laufzeiten. Bei einaxialen Kompressionsversuchen ist es
steuerungstechnisch ratsam eine verlängerte Laststufe zu definieren, sodass der gewollte
Stundenwert tatsächlich datentechnisch registrieren wird. Die Triaxialanlage ermöglicht
hingegen eine höhere Aufzeichnungsrate von Daten, was diese Vorgehensweise nicht erfordert.
Die niedrig gewählten Auflasten sind für den gleichmäßigen Setzungsverlauf des
Oedometerversuches verantwortlich. Es hätten größere Belastungsphasen gewählt werden
können, damit der hier vorliegende Auelehm an den Grenzzustand geführt wird. Beide Geräte
sind im Stande größere Lasten einzutragen. Im Gegensatz dazu weist die Setzungskurve des K0-
Versuches in erster und zweiter Laststufe ein viel geringeres Setzungsverhalten auf, welches
aber im Verhältnis zur Setzung des Oedometerversuches steht. Ursache dafür liegt in der
gewählten Poisson-Zahl von 0,35. Empfehlenswert wäre an dieser Stelle eine Kalibrierung in der
Form, dass eine Variation dieses Wertes erfolgt, um den Setzungsverlauf der Triaxialanlage auf
das Niveau des Oedometers anzugleichen.
Abbildung 8: Setzungsverläufe von einaxialen Kompressionsversuch und K0-Versuch mit Querdehnung.
Während der dritten Laststufe glichen sich die Setzungsverläufe an und in der vierten Phase
begann eine erneute stärkere Setzung im K0-Versuch, wie im der vorangegangenen Übergang
von Phase zwei zu drei. Bei einer gewählten Poisson-Zahl von 0,35 war die Setzung stärker bei
höherer Last und niedriger bei geringerer Last im Vergleich zum Oedometerversuch. Dies kann
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 24:00 28:48 33:36
Druck-Setzungs-Versuch
Oedometer K0
σ1 = 25 kN
σ1 = 50 kN
σ1 = 100 kN
σ1 = 200 kN
s [m
m]
t [hh:mm]
32
seine Ursachen in unterschiedlicher Probengröße haben, da Probekörper geringerer Höhe eine
bessere Verteilung der Spannungen über den Querschnitt gewährleisten. Weiterhin ist eine
Validierung der Ergebnisse anhand einer Probebelastung als Feldversuch möglich.
Abbildung 9: Last-Setzungsverläufe von einaxialen Kompressionsversuch und K0-Versuch mit Querdehnung.
Eine weitere Darstellung des Versuchs im Last-Setzungsverlauf (Abbildung 9), zeigt den
Schnittpunkt der Setzungen innerhalb der dritten Laststufe auf und illustriert noch einmal
vorangegangene Ausführungen. Während Abbildung 8 eine Qualitätsbeurteilung zulässt wird
Abbildung 9 üblicherweise für Analysen des Steifemoduls ES genutzt, die in Tabelle 11
zusammengefasst sind.
Tabelle 11: Laststufen und Steifemodule aus K0- und Oedometerversuch.
Oedometer K0-Versuch
σ1 kN/m² 25 50 100 200 25 50 100 200
smax mm 0,307 0,451 0,632 0,850 0,01 0,19 0,608 1,365
ES MN/m² 1,62 3,46 5,50 9,13 49,78 2,77 2,38 2,63
Die Primärsetzungen innerhalb der einzelnen Laststufen waren nach spätestens 15 Minuten,
sowohl beim einaxialen Kompressionsversuch, als auch beim K0-Versuch mit Querdehnung,
erreicht. Beim Oedometerversuch erfolgt eine plane Lasteintragung durch einen breiten
Stempel, hingegen bei der triaxialen Druckzelle ist dies nicht der Fall. Hier wird ein Stempel vom
Durchmesser 3 cm verwendet, was wiederum in die ungleichmäßige Setzung bei dritter und
vierter Laststufe resultiert haben könnte und in der Kombination mit der Nichtbeachtung der
Kolbenstangenkorrektur bei der Programmierung unsaubere Ergebnisse lieferte. Tabelle 12
verdeutlicht, welcher Belastung die Probe tatsächlich ausgesetzt war.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 100 200 300
Druck-Setzungs-Versuch
K0 Oedometer
Druckspannung σ1 [kN/m²]
s [m
m]
33
Tabelle 12: K0-Versuch: tatsächlicher axialer Lasteintrag infolge Zelldruck und Axialdruck.
Stufe σ1 [kN/m²] σ3 [kN/m²] σ1*A100 [kN] σ1*A100-30 [kN] Σi [kN] σ1,neu = Σi/A100 [kN]
1 25 13,46 0,196 0,096 0,292 37,18
2 50 26,92 0,393 0,192 0,585 74,48
3 100 53,92 0,785 0,385 1,170 148,97
4 200 107,69 1,571 0,770 2,341 298,07
Demzufolge betrugen die axialen Einwirkungen circa 150% vom Vorgabewert, weil die
Kolbenstangengeometrie vernachlässigt wurde.
7.1.2 Anregungsfrequenz
Zur Auswertung und Festlegung einer Anregungsfrequenz für Folgeversuche wurden die
grafischen Daten zum Setzungsverhalten bei vier verschiedenen Frequenzen je untersuchten
Boden herangezogen.
Abbildung 10: Setzungen von Auelehm (TL) bei verschiedenen Frequenzen.
Die Versuche wurden durchgeführt bis sich ein Setzungsplateau einstellte und dadurch keine
weiteren Veränderungen mehr zu erwarten waren. Bei 30 Hz, also der Hälfte der Grenzfrequenz
der Triaxialanlage, zeigt sich ein ungewöhnliches Setzungsbild, welches wahrscheinlich auf eine
Resonanzerscheinung zurückzuführen ist. Der Anlagenresonanzpunkt liegt bei 16 bis 30 Hz und
in Folge gerieten Körner und Maschine möglicherweise in Resonanz, was eine schnelle
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00
Setzungskurve unter zyklischer/dynamischer Last #1 Auelehm (TL)
Auelehm 1Hz Auelehm 15Hz Auelehm 30Hz Auelehm 60Hz
σ1 20 kN/m²σd 55 kN/m²σ3 10 kN/m²
t [min]
Proben-∅: 50mmKonsolidation: neinPWD-Messung: neinDränage: geschlossen
s [m
m]
60 Hz
15 Hz
1 Hz
30 Hz
34
Verdichtung zur Folge hatte. Eventuell deutet dies auch auf einen Resonanzbereich der TL-
Probe, also des Auelehms selbst, hin.
Abbildung 11: Setzungen von Karlsruher Sand (SE) bei verschiedenen Frequenzen.
Zusammengefasst finden sich die Daten aus dem Setzungsverhalten von SE und TL in Tabelle 13.
Weiterhin lässt sich aus dem Verlauf der Graphen entnehmen, dass für hochfrequente Bereiche
das erste Zeitfenster von circa zehn Minuten mit einer zügigen Initialsetzung bedeutsam ist, um
zu beurteilen, ab welchem Zeitpunkt die Arbeit mit einer Verdichtungsmaschine irrelevant wird
und nicht mehr notwendig oder effektiv ist. Im Gegensatz dazu ist bei niedrigeren Frequenzen,
wie 1 und 15 Hz, der Verlauf des Setzungsplateaus für die Beobachtung von Setzungen bereits
unter minimalen Frequenzen signifikant.
Tabelle 13: Phase 1 Anregungsfrequenz: Setzungen und Frequenzen.
Auelehm (TL) Karlsruher Sand (SE) Frequenz (Hz) 1 15 30 60 1 15 30 60
Zeit bis Plateau (h) 1 1 3 0,7 3,4 1,2 0,7 0,3
Setzung (mm) 1,5 1,9 1,2 3,1 4,2 4,2 1,3 3
Eine Überprüfung der Setzung durch die vorgegebene statische Last ergab, wie im
Balkendiagramm Abbildung 12 ersichtlich, dass der Anteil der Verdichtung infolge dieser, bei TL
circa 0,4 bis 0,6 mm und bei SE 0,1 bis 0,2 mm, betrug. Da der Betrag der Setzung unter
dynamischer Belastung bei SE über 95 % aufweist, ist hier von einer einheitlichen
Ausgangssituation auszugehen. Bei TL befindet sich der Setzungsanteil der statischen Last bei 15
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00
Setzungskurve unter zyklischer/dynamischer Last #2 Karlsruher Sand (SE)
Sand 1Hz Sand 15Hz Sand 30Hz Sand 60Hz
Proben-∅: 50mmKonsolidation: neinPWD-Messung: neinDränage: geschlossen
σ1 20 kN/m²σd 55 kN/m²σ3 14 kN/m²
t [min]
s [m
m]
1 Hz
15 Hz
60 Hz
30 Hz
35
bis 28 % und ist somit nicht als uniforme Ausgangssituation zu bewerten. Demzufolge hatten die
TL-Probekörper einen unterschiedlichen Ausgangszustand für die zyklische und dynamische
Belastung und diese Randbedingung gilt als nicht erfüllt und Fehlerursache für unsaubere
Ergebnisse.
Abbildung 12: Statische und zyklisch/dynamische Setzung s [mm] von TL und SE.
Als zweite Randbedingung gilt, dass die Verdichtung als beendet angesehen wurde, wenn die
Setzung innerhalb von zehn Minuten geringer als 0,01 mm blieb. Dies wurde als
Abbruchkriterium des Versuches und Identifikationsmerkmal der Plateauphase deklariert.
Zusätzlich konnten während dieser Experimentphase erste Erfahrungen zur manuellen
Nachsteuerung gesammelt werden, die essentiell für den Folgeversuch zur Untersuchung zweier
Böden in verschiedenen Einbautiefen sind. Tabelle 14 führt die notwendige Anpassung des
Parameters force amplitude auf.
Tabelle 14: Manuelle Nachsteuerung verschiedener Frequenzen.
Frequenz [Hz] 1 15 30 60
Force (Soll) [kN] 0,147 0,147 0,147 0,147
force amplitude (errechnet)22 [kN] 0,108 0,108 0,108 0,108
force amplitude (angepasst) [kN] - 0,168 0,215 0,215
Mit diesen Versuchsergebnissen wurde die Frequenz 60 Hz für die Folgeversuche festgelegt. 60
Hz korreliert mit 55 kN/m² als dynamische Last von Verdichtungsgeräten, welche einen
Arbeitsbereich von 30 bis 60 Hz und höher innehaben. Sowohl TL, als auch SE, zeigten bei der
gewählten Frequenz ein gutes Setzungsbild und die manuelle Anpassung war bekannt.
22 force amplitude = A * σd = (0,05 m)² * π /4 * 55 kN/m² = 0,108 kN.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
TL 1 Hz TL 15 Hz TL 30 Hz TL 60 Hz SE 1 Hz SE 15 Hz SE 30 Hz SE 60 Hz
TL unter statischer und zyklischer/dynamischer Last
Setzung mit statischer Last Setzung infolge dynamischer Last
36
Anlagentechnisch ist diese Auswahl weiterhin interessant, weil es sich um die Grenze des
Arbeitsbereichs des Triaxialprüfstandes handelt.
7.1.3 Variation von Last- und Umlagerungsspannung
In Zeit-Setzungsdiagrammen (Abbildungen 14 und 15) ist ersichtlich, dass die Setzung infolge
Konsolidationspannung bereits nach fünf bis zehn Minuten abgeschlossen war. Für
Folgeversuche kann hier also eine geringere Konsolidationszeit als zwei Stunden für SE, sowie
TL, gewählt werden. Je tiefer der Einbau erfolgte desto höher war die Setzung innerhalb dieses
Abschnittes. Die 10-Minuten-Fenster verdeutlichen den Abschluss der Primärsetzung infolge
dynamischer Belastung nach bereits weniger als sechs Minuten. Genau wie in den Versuchen zur
Anregungsfrequenz, stellten sich in einem Meter Tiefe wieder 3 bis 3,1 mm Setzung ein.
Abbildung 13: Setzungskurven für SE mit 10-Minuten-Fenster.
In allen Versuchen wurde die dynamische Belastung 34 Minuten durchgeführt und somit eine
Gesamtlaufzeit von 02:34 Stunden für jeden Versuch erzielt. Die 34 Minuten waren relevant für
eine spätere genaue Analyse des SD-Exportes in Bezug auf das Last-Setzungsverhalten. Vor
allem bei SE ist ersichtlich, dass das Setzungsverhalten infolge dynamischer Last mit der
Einbautiefe des Probekörpers abnimmt. Da Rüttelplatten nur eine Tiefenwirkung bis circa 0,4 m
haben, kommt in den unteren Bereichen kaum noch eine Einwirkung an. Demzufolge wäre es
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0:00 0:28 0:57 1:26 1:55 2:24 2:52
Setz
un
g s
[mm
]
Zeit t [h:mm]
Variation von Last- und Umlagerungsspannungen: Setzungskurven für SE
SE 0,5 m
SE 1,0 m
SE 2,5 m
SE 0,5 m
SE 2,5 m
SE 1,0 m
BOMAG BP 10/35Konsolidation: 2 hFrequenz: 60 Hz
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
1:59 2:00 2:02 2:03 2:05 2:06 2:08 2:09 2:11 2:12
Setz
un
g s
[mm
]
Zeit t [h:mm]
10-Minuten-Fenster
SE 0,5 m
SE 2,5 m
SE 1,0 m
37
sinnvoller gewesen die Betrachtung in Fünf-Zentimeter-Schritten ab Oberkante Einbaugrenze
bis zu einer Tiefe von circa 50 cm durchzuführen.
Tabelle 15: Darstellung des prozentualen Anteils der dynamischen Verdichtung von TL und SE in verschiedenen Tiefen.
Material Tiefe [m] sstat [mm] sdyn [mm] Σs [mm] sdyn / Σs [%]
0,5 0,42 2,20 2,62 84
TL 1,0 0,77 2.35 3,12 75
2,5 2,27 2,21 4,48 49
0,5 0,03 4,27 4,30 99
SE 1,0 0,19 3,06 3,25 94
2,5 0,63 2,86 3,49 82
Anhand von Tabelle 15 wird die Abnahme der Verdichtungswirkung bei zunehmender
Einbautiefe illustriert. Setzungsanteile zugehörig zur statischen und dynamischen Belastung
werden aufgelistet und der prozentuale Anteil der Setzung infolge des dynamischen Lasteintrags
am Gesamtanteil aufgeführt. TL weist eine stärkere Abnahme der Verdichtungswirkung als SE
auf. SE weist ein schlechteres Verdichtungsverhalten als TL auf.23
Abbildung 14: Setzungskurven für TL mit 10-Minuten-Fenster.
23 Aufgeführter Sachverhalt wird an der Vielzahl von Proctorkurven für Karlsruher Sand in Anhang A.3 ebenfalls ersichtlich.
0
1
2
3
4
5
6
7
0:00 0:28 0:57 1:26 1:55 2:24 2:52
Setz
un
g s
[mm
]
Zeit t [h:mm]
Variation von Last- und Umlagerungsspannungen: Setzungskurven für TL
TL 0,5 m
TL 1,0 m
TL 2,5 m
TL 0,5 m
TL 2,5 m
TL 1,0 m
BOMAG BP 10/35Konsolidation: 2 hFrequenz: 60 Hz
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
2:00 2:02 2:03 2:05 2:06 2:07 2:09 2:10 2:12 2:13
Setz
un
g s
[mm
]
Zeit t [h:mm]
10-Minuten-Fenster
TL 0,5 m
TL 1,0 m
TL 2,5 m
TL 0,5 m
TL 2,5 m
TL 1,0 m
38
7.1.4 Walzenüberfahrt
Phase 1 als Startsimulation einer Walze hatte den Hintergrund der Erprobung der
Systemsteuerung und sollte eine Grundlage für Phase 2 hinsichtlich der gewählten
Eingabeparameter bieten. Da die gewählten Parameter zu guten Datenergebnissen führten
konnte Phase 2 problemlos durchgeführt werden.
Tabelle 16: Phase 1 Simulation Walzenüberfahrt: statische und dynamische Verdichtung des Walzenstarts.
Start sel [mm] spl [mm] spl/3,8mm [%]
1 0,5 3,25 85,5
2 0,5 0,35 9,21
3 0,5 0,20 5,26 sstat,end = 3,8 mm
Im Setzungsbild der Phase 1 ist ersichtlich, dass die initiale plastische Setzung infolge des ersten
Starts der Walze mit 3,25 mm den größten Anteil einnahm, wie Tabelle 16 aufführt. Die
darauffolgenden zwei plastischen Setzungen nahmen nur 9,21% und 5,26% Anteil an der
Gesamtverdichtung der drei Walzenstarts mit 3,8 mm. Wäre dieser Vorgang weiter fortgesetzt
worden, ist davon auszugehen, dass diese Anteile noch stärker sinken und somit ein einzelner
30-sekündiger Übergang ausgereicht hätte. Während der drei Simulationen hatte die
Verdichtungsarbeit jeweils einen Ausschlag von 0,5 mm, wobei noch genauer untersucht werden
müsste, ab wann auch dieser Anteil abnimmt.
Abbildung 15: Setzungsverhalten von TL bei drei Starts der Walze mit vergrößerter Darstellung der dynamischen Belastungs- und statischen Ruhephase.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0:00 0:14 0:28 0:43 0:57 1:12 1:26 1:40 1:55 2:09 2:24
Setzungsverlauf Phase 1: Simulation Start der Walze
Bomag BW 211 D-5Probe: TL, 50x120 mm
Tiefe: 1 mKonsolidation: 2 h
Setz
un
gs
[mm
]
Zeit [h:mm]
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
3,8
4
4,2
4,4
120:32 123:24 126:17 129:10 132:03 134:56 137:48Zeit [mm:ss]
39
Im Lastverlauf der Phase 1 ist im vergrößerten 15-Minuten-Fenster zur genaueren Darstellung
der dynamischen Belastungsphase deutlich erkennbar, welche Anteile statische und dynamische
Lastkomponente innehaben. Die 30-sekündigen Peaks alle fünf Minuten weisen eine starke
Diskrepanz zu den Eingabedaten auf. Dies ist zu begründen mit der manuellen Nachsteuerung,
die in diesem Fall notwendig war. Der Sollwert der statischen Verdichtung beträgt 0,0497 kN
und ist im Diagramm mit 0,25 kN vertreten, wobei im dynamischen Bereich ein Unterschied von
0,545 kN zu 0,04 kN als Ist-Wert vorhanden ist. Insgesamt ist der Eintrag der gewollten Kraft
jedoch erfolgt, da die dynamische Kraft mit 0,545 kN nachgesteuert wurde, wobei der
errechnete Wert mit 0,2912 kN für 40%igen Lasteintrag der dynamischen Last der Walze
darunterliegt, aber mit 0,0497 kN statischer Last aus 40%iger Auflast der Walze und 100%igem
Konsolidationsdruck (0,0393 kN) in der Summe 0,33 kN ergeben, welche in jeder der drei Starts
erreicht wurde (Abbildung 17).
Wie Abbildungen 16 und 19 zeigen, stellte sich das Setzungsplateau der Konsolidationsphase
bereits nach circa zehn Minuten bei 0,5 mm ein und somit kann in Zukunft bei vergleichenden
Untersuchungen ebenfalls eine verkürzte Konsolidationszeit für TL gewählt werden.
Abbildung 16: 40%iger Lasteintrag auf TL bei drei Starts der Walze mit vergrößerter Darstellung der dynamischen Belastungs- und statischen Ruhephase.
Für Phase 2 der Simulation wurden Last- und Setzungsverhalten in einem Diagramm (Abbildung
19) über die Zeit dargestellt. Kritisch ist, dass kein gleichmäßiger Übergang, sondern
steuerungstechnisch lediglich eine etappenweise Überfahrt und auch nur unter 50%igem
dynamischen und statischen Lasteintrag der Walze erfolgen konnte.24 Dieser diskrete
24 Abbildung 7 zeigt diesen Sachverhalt grafisch im 27-Sekunden-Fenster auf.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0:00 0:14 0:28 0:43 0:57 1:12 1:26 1:40 1:55 2:09 2:24
Lastverlauf Phase 1: Simulation Start der Walze
Bomag BW 211 D-5Probe: TL, 50x120 mm
Tiefe: 1 mKonsolidation: 2 h
forc
e F
1[k
N]
Zeit [h:mm]
0,01
0,06
0,11
0,16
0,21
0,26
0,31
120:32 123:24 126:17 129:10 132:03 134:56Zeit [mm:ss]
40
Lastauftrag ist im plastisch-elastischen Setzungsbild in Abbildung 19 schwer erkennbar. Im
Gegensatz zu Phase 1 wurde hier die Kombination aus statischer und dynamischer Last der
Walze allein in der ersten Überfahrt vollständig erreicht. Dies hat den Hintergrund, dass der
Auelehm, wie Abbildung 19 verdeutlicht, während der ersten Überfahrten seine Grenzlast
erreicht hat und abgeschert wurde. Abbildung 18 visualisiert diesen Prozess.
Abbildung 17: Abgescherte TL-Probe aus Phase 2 Simulation Walzenüberfahrt.
Abbildung 18: Phase 2 Simulation Walzenüberfahrt: Grafische Darstellung von Belastung und Setzungsverhalten.
Mit einer plastischen Setzung von circa 7,7 mm nach der ersten Überfahrt, was 6,4 % der
Probenhöhe ausmacht und weiteren Setzungen infolge der zweiten bis fünften Überfahrt von 24
bis 24,5 mm, abzüglich Konsolidationssetzung von ungefähr 0,4 mm, also 20 % bereits nach der
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Las
t [k
N]
Setz
un
g [m
m]
Zeit [min]
Last-Setzungsverlauf der Walzenüberfahrt Phase 2
Setzung [mm]
Last [kN]
Bomag BW 211 D-5, 30 HzProbe: TL, 50x120 mmTiefe: 1 mKonsolidation: 2h
41
zweiten Überfahrt, wurde nicht nur das Abbruchkriterium für Triaxialversuche nach DIN 18137
erreicht, sondern auch der Abscherprozess fand statt. Dies wiederum verursachte in zweiter bis
fünfter Überfahrt, dass dieser zerstörte Probekörper keinen Widerstand gegenüber der
Maschine mehr aufbringen konnte, die Krafteintragung nicht konzentriert geschah und die
Belastungsraten aus der ersten Überfahrt nicht erreicht wurden. Aus diesem Grund ist es auch
nicht möglich eine Aussage über die Folgeverdichtung zu erbringen und ob, oder wie viele,
Walzenübergänge nötig gewesen wären, um eine optimale und wirtschaftliche Verdichtung zu
gewährleisten.
Im Vergleich zur ersten Phase, in der beim ersten Start eine plastische Verdichtung von 2,7 %
der Gesamtprobekörperhöhe erfolgte, waren dies bei der ersten Überfahrt von Phase 2 bereits
6,4 %. Die elastische Setzung betrug circa 0,8 mm in der ersten Überfahrt und 0,5 mm während
des ersten Starts.
7.2 Grafische Auswertung der Exportdateien
Zur Genauigkeitskontrolle der aufgezeichneten Daten wurden SD- und Anlagen-Export
extrahiert und verglichen. Beide Datensätze konnten von sämtlichen Versuchen zur
Anregungsfrequenz, Variation von Last- und Umlagerungsspannung, sowie der Simulation der
Walzenüberfahrt ausgelesen werden. Stellvertretend wurde eine Auswahl getroffen, damit
repräsentativ das Last-Setzungsverhalten beider Böden im zyklischen und dynamischen Bereich
verifizierbar, sowie Aussagen zur Notwendigkeit einer schnellen Datenerfassung und präzisere
Beurteilungen zum elastischen und plastischen Verformungsverhalten von SE und TL lieferbar
sind.
Abbildung 19: Darstellung des Zeit-Setzungsverlaufes von SE bei 15 Hz mit 1-, 10- und 50-Sekunden-Fenster.25
25 genauerer SD-Export ist jeweils oberes Teilfenster.
42
Bespielhaft zeigte der SD-Export von SE bei 1 und 15 Hz eine viel präzisere Darstellung des
Setzungsverlaufes. In der Gesamtbetrachtung bezüglich des Setzungsverhaltens ist dies jedoch
weniger relevant, da beide Kurven übereinandergelegt keinen Unterschied zeigen, wie in
Abbildung 20 ersichtlich ist.26 Ein einfacher Datenexport der Anlage reicht in diesem Fall aus.
Abbildung 20: Darstellung des Zeit-Setzungsverlaufes von TL bei 1 Hz mit 1-, 10- und 100-Sekunden-Fenster.27
Ob die Prüfmaschine die vorgegebenen Frequenzen ausführt, ist lediglich am SD-Export
erkennbar. TL unter 1 Hz, dessen Setzungsverhalten bei den Versuchen zur Anregungsfrequenz
in Abbildung 21 näher aufgeführt ist, validiert diese Aussagen.
Abbildung 21: Ungenaue Darstellung des Last-Setzungsverhalten von Auelehm unter 1 Hz.
Wesentlich interessanter sind die vergleichenden Darstellungen in Bezug auf das Last-
Setzungsverhalten und somit die Ausformung von Hystereseschleifen während der zyklischen
und dynamischen Belastung (Abbildungen 22 und 23). Hierbei ist deutlich nachvollziehbar, dass
eine größere Menge an Daten erforderlich ist, um das Verformungsverhalten der Probe deutlich
26 Weitere grafische Ausführungen zu diesem Vergleich befinden sich im Anhang K. 27 genauerer SD-Export ist jeweils oberes Teilfenster.
43
darzustellen. Je stärker die Setzung zunimmt, desto besser wird die Lastamplitude erreicht.
Dieses Verhalten ist bei geringer Datenmenge nicht analysierbar. Für genauere Analysen in
Bezug auf Frequenzen, Amplituden und elastisches und plastisches Verformungsverhalten sind
SD-Exporte notwendig und somit eine schnelle Datenerfassung, da bei derzeitiger Ausstattung
der Prüfmaschine Datenexporte bis zu fünf oder mehr Stunden andauerten.
Abbildung 22: Genaue Darstellung des Last-Setzungsverhaltens von Auelehm unter 1 Hz mit Hystereseschleifen.
Früh hohe Steifigkeiten zu erreichen ist Ziel des Verdichtungsprozesses. Die Last-
Setzungskurven sollten also innerhalb kürzester Zeit die gesamte Amplitude abdecken. Bei
Abbildungen 22 und 23 würde dies bedeuten, dass die Graphen eher das obere Niveau auf der
linken Seite erreichen, welches im rechten Bereich des Diagrammes abgebildet ist. Damit wäre
das ideale Verdichtungsverhalten bezüglich des vorliegenden Bodenmaterials ermöglicht.
Abbildung 23: Verläufe von Hystereseschleifen.
Offen bleibt, ob eine Variation des Wassergehaltes, oder ein Arbeiten am Dichteoptimum, der
100%igen Proctordichte, ein besseres Verdichtungsbild geben würden. Gleichzeitig könnte man
44
Dichten außerhalb des 100% Spektrums der Proctordichte und andere Wassergehalte
hinsichtlich eines günstigen Verdichtungsprozesses betrachten.
Abbildung 24 führt die verschiedenen Verläufe von Hystereseschleifen in Bezug auf TL und SE
auf. Je feinteilhaltiger Böden sind, desto ausgeprägter sind diese elastischen Arbeitsschleifen bei
dynamischen Verdichtungsprozessen zu observieren. Charakteristisch ist dabei zum einen die
fortlaufende Setzung trotz absinkendem Lasteintrag, gekennzeichnet durch die Ziffern 1 nach 2
in Teilbild a). Im Verlauf von 2 nach 3 ist andererseits erkennbar, dass zunächst eine gewisse
Arbeit, bzw. Last, nötig ist, damit eine weitere irreversible Verdichtung erzeugt wird. Der Punkt
x kennzeichnet den Übergang von effizienter zu reversibler Verdichtungsarbeit bezüglich des
Lasteintrags und gibt einen Mindestwert der Lastamplitude. Unterhalb dieses Punktes kommt es
infolge von Porenwasserbewegungen feinteilhaltiger Böden und Porenwasserüberdruckes zum
Verlust der Arbeit, sowie einem elastischen Setzungsprozess. Begründet ist dies in der
Korngerüststruktur und den Umlagerungsprozessen von Porenwasser, Porenluft und
Feinkornanteilen. Dieser Grenzwert x müsste demzufolge vom Verdichtungsgerät konstant
gehalten werden um, wie in Teilbild d) verdeutlicht, eine ideale Arbeit zu erzielen, ohne
reversible Verdichtungsvorgänge und dem damit verbundenen Zeitverlust. Teilbilder b) und c)
zeigen den Verlauf der Hystereseschleifen bei SE, welcher weniger feinteilhaltig ist, auf.
Vergleichbar sind diese Grafiken mit Last-Setzungsbildern von SE in Anhang J. Schlanke
Schleifen symbolisieren einen geringeren Anteil an verlorener Arbeit. Der Flächeninhalt A aus
Teilbild a) ist in b) und c) nicht mehr so ausgeprägt, da weniger Feinanteile vorliegen.
Abbildung 24: Lastamplitude bei Karlsruher Sand unter 1 Hz.
Letztendlich ist Ziel, schmale bis keine Hystereseschleifen für optimale Verdichtung
feinteilhaltiger Böden hervorzurufen und die Amplitude der Last-Setzungskurve schnell nach
45
oben zuziehen. Die Frage der gewählten Frequenz spielt eine zusätzliche Rolle, weil
beispielsweise bei ½ Hz im Vergleich zu 1 Hz, der Boden die doppelte Zeit hätte für die
elastische Ausprägung, bzw. Phase der Hystereseschleifen.
Die Darstellung der Lastamplitude von Karlsruher Sand (Abbildung 25), verdeutlicht die
Aussage zur vereinfachten Analyse des Last- oder Setzungsverhaltens mit geringer Datenmenge.
Hier ist ebenfalls das Treffen der gleichen Lastamplitude ersichtlich, wenn beide Kurven
übereinandergelegt betrachtet werden. Jedoch ist nicht zu vernachlässigen, dass bei geringer
Aufzeichnungsrate der Daten die Amplitude an verschiedenen Stellen in ihrem Verlauf
angeschnitten wird und keine Aussage bezüglich des tatsächlichen Ausführens einer konstanten
Lastamplitude ermöglicht wird. Im Gesamtbild ergibt die Umhüllende dennoch eine gute
Aussagekraft.
Eine genauere Aufführung weiterer Vergleichsgrafiken, sowie eine grafische Gegenüberstellung
von Last-Frequenz und Setzung-Zeit zu den Daten der Experimente zur Anregungsfrequenz
befinden sich in Anhang J. Signifikant für die Last-Frequenz-Analyse ist ein mehrfaches
Auftauchen des Frequenz-Peaks als Resonanz bei höheren Frequenzen, beispielsweise 15 Hz
auch bei 30, 45, 60, 75 und 90 Hz.
7.3 Fehleranalyse
Dieses Kapitel hebt zusätzliche Rahmenbedingungen und Abläufe der Arbeit hervor, welche
einen ungünstigen Einfluss auf die Durchführung und Ergebnisbeurteilung der Versuche hatten.
Natürlich decken Triaxialgeräte technisch eher das Spektrum der Erdbebenuntersuchung ab und
man ist nicht nur damit, als wohl größte Einwirkungsherausforderung auf jegliche Art von
Konstruktionen, sondern auch mit der Prämisse Sättigung, auf der die Norm aufgebaut ist, im
Bereich der Liquefaktion, auf der sicheren Seite. Weil keine Sättigungsvorgänge erfolgten und
auch keine Aufnahme, bzw. Messtechnik, für die Interaktion zwischen Luftporenraum und
Porenwasser zur Verfügung standen, hätte dieses außer Acht lassen der Luftkomponente
ungenaue Ergebnisse dränierter Versuche fabriziert. Es wurden dagegen undränierte Versuche
durchgeführt, was auch der Grund ist, warum in dieser Arbeit auf die Bodenverflüssigung nicht
schwerpunktmäßig eingegangen wurde.
Zur Untersuchung des Verformungsverhaltens wären gedrungene Probekörper (h/d = 1/1) von
Vorteil gewesen, da sie eine homogenere Verformung aufweisen, sowie ein damit verbundenes
46
Schmieren der Kontaktflächen zur Verringerung der Reibung.28 Aus Gründen der
Probekörperherstellung und technischen Ausstattung der Anlage wurde davon aber abgesehen.
Einzelne Versuche erstreckten sich über einen Zeitraum von mehreren Tagen, wobei eine
Temperaturentwicklung im Arbeitsbereich der statischen Prüfpresse und infolge eine
Temperatursteigerung im unteren Bereich der Druckzelle und des Zellwassers zu registrieren
war. Der Einfluss der Temperatur ist im Hinblick auf die Messtechnik und bezüglich einer
Entkopplung der Druckzelle mittels Kunststoffplatte zu prüfen, sowie im Zusammenhang mit 3-
fach-gekoppelten Systemen29 interessant.
Besonders im Hinblick auf die grafische Auswertung zum Last-Setzungsverhalten während der
Versuche zur Anregungsfrequenz ist eine Validierung der Ergebnisse mit einer schnellen
Datenerfassung vorzunehmen. Die Notwendigkeit der manuellen Nachsteuerung resultiert in
einer gewissen Ungenauigkeit der erfassten Daten. Ebenfalls die gewählte Frequenz von 60 Hz
bei der Variation von Last- und Umlagerungsspannung führte wahrscheinlich zu
Ungenauigkeiten der Versuchsergebnisse, da sie im Auslastungsbereich der Anlage liegt. 70 Hz
sind Obergrenze der Prüfmaschine und nach Hersteller läuft dabei im Hintergrund real eine
etwas höhere Amplitude als gemessen ab. Genauso hat die Wahl von 30 Hz möglicherweise ein
Resonanzverhalten von Anlage und Boden verursacht. Mit Hilfe der schnellen Datenerfassung
und bereits erfolgter technischer Erweiterungen im Nachgang zu den durchgeführten Versuchen
wird eine manuelle Nachsteuerung der Triaxialanlage in Zukunft nicht mehr erforderlich sein
und eine Zeitersparnis bei Vorversuchen, sowie eine bessere Genauigkeit der Ergebnisse mit
sich bringen.
Eine weitere Problematik ist die in einigen Versuchen durchgeführte anisotrope Konsolidation,
wobei der Unterschied zu einem isotropen Konsolidationsvorgang und einem schrittweisen
Aufbau der Konsolidationsspannung gebracht werden sollte.
Die Abtastrate der zyklischen und dynamischen Versuche war teilweise zu gering.
Empfehlenswert wäre eine Abtastrate im 10-fachen von der aufgebrachten Frequenz. Eine
Frequenz von 1 Hz würde so beispielsweise eine Abtastung von 10 Hz also 10 Messwerten pro
Sekunde innehaben. Teilweise wurde die Amplitude an verschiedenen Stellen gemessen und so
ergab sich die Kurvenform im Detail nicht realitätsgemäß.30
28 Vergleich mit KOLYMBAS (2007): Geotechnik Bodenmechanik, Grundbau und Tunnelbau. Kapitel 8.10 Fehlerquellen beim Triaxialversuch (S.147). 29 Siehe Übersicht Anhang G und 9.2 Messungen anderer Einflussgrößen. 30 Kapitel 7.3 betrachtet diesen Zusammenhang ausführlicher und grafisch.
47
8 Anwendungsgebiete
Ihren Ursprung haben Triaxialversuche im Bau militärischer Schutzeinrichtungen. Sehr bald
kamen weitere Konstruktionsgebiete, wie Kraftwerkbau, Fundamente von Ölplattformen und
sonstigen Offshore-Anlagen, Kernkraftwerke, Hochhäuser, Dämme, Maschinenfundamente,
Rammen von Pfählen und Steinbruchsprengungen hinzu. In der Forschung spielen dabei
Erdbebensicherheit, Bodenverflüssigung, Böschungsstabilität, Erschütterungsschutz, Wellen-
und Erdbebenbelastung eine Rolle. Wesentliche Applikationen und Aufgaben führt STUDER
(2007) in seinem Werk zur Bodendynamik auf, wie an Abbildung 26 verdeutlicht wird.
Abbildung 25: Hauptaufgabengebiete der Bodendynamik nach STUDER (2007). 31
Die russische Norm bezieht sich auf Maschinenfundamente und Wasserkonstruktionen als
besonderes Anwendungsgebiet. Genauer betrachtet führt sie den Verlust der Bodenfestigkeit bei
dynamischer Belastung bei beliebigem Sättigungsgrad, die Gebrauchstauglichkeit für die
Betriebszeit einer Anlage im Hinblick auf die Bodenverformungen aufgrund dynamischer
Belastungen, die Bestimmung von E-Modul und dynamischen E-Modul, Möglichkeiten der
dynamischen Verdichtung gesättigter Böden mit PPR-Wert, PGA und NL, sowie Auswirkungen
der dynamischen Bodenverflüssigung anhand δL und DH, auf.32
31 Entnommen aus STUDER (2007): Bodendynamik, S.2. 32 Das Abkürzungsverzeichnis und GOST R 56353 definieren diese Formelzeichen genauer.
48
9 Genauere Messverfahren
9.1 Lokale Messungen
Triaxiale Druckzellen sind oftmals so aufgebaut, dass Messung und Regelung von Zelldruck,
Porendruck und anderen Stellgrößen, bzw. Einwirkungen, über Kopf- oder Fußstück der
Druckzelle ablaufen. Dies resultiert in nicht repräsentative Ergebnisse für den relevanten
Bereich der Bodenprobe. Da die Probe oben und unten gehalten ist, herrscht an diesen Stellen
Reibung. Somit wird das mittlere Drittel eines Prüfkörpers zur charakteristischen Zone, was
wiederum ein positiver Effekt ist, denn genau hier befindet sich die Scherfuge oder auch
Scherzone. REES33 hat in Dokumenten von GDS Instruments einige Wege aufgezeigt genauere
Messungen in diesem Bereich durchzuführen.
Der Porenwasserdruck u wird beispielsweise nur am Kopf und Fuß gesteuert, was einerseits
sehr sinnvoll ist zum Aufbau eines Druckgefälles und auch nötig für die Sättigung der Probe,
bzw. einfach realisierbar im Aufbau einer Druckzelle, aber andererseits nicht das mittlere Drittel
widerspiegelt. Genauso findet die Messung meist durch Abnahme des Porendrucks am Fuß statt,
was wiederum problematisch ist falls ein Druckgefälle anliegt, welches genau am selben Punkt
initiiert wird. Optimal ist eine Steuerung des Porendruckes an Kopf und Fuß und eine Messung
im Bereich der Scherfuge mit Hilfe eines Porendruckmessgerätes für die Mittelebene.
Gleichermaßen spielt die Regelung des Zelldrucks, der entweder über Kopf oder Fuß einer
Druckzelle aufgebaut wird, eine Rolle. Steigerung und Senkung des Zelldruckes sollten immer
von oben nach unten erfolgen, weil eine viel größere Fläche beeinflusst wird als beim
Axialdruck. Von Vorteil ist natürlich das keine Wandreibung herrscht, denn lediglich
Latexmembranen und entlüftetes destilliertes Wasser anliegen. Jedoch sind Druckzellen meist so
aufgebaut, dass der Druckstempel oberhalb des Prüfkörpers vom Zellwasser umschlossen ist
und dieses hier mitwirkt. Druckzellen weisen meist eine geringe Höhe auf und daher sind
hydrostatische Effekte im Bezug zur Einspeisung des Zelldruckes sehr gering.
Je nach Messinstrumenten und Versuchssteuerung geschieht eine Beurteilung der globalen
Verformung über eine Registrierung der Änderung von Initialabmaßen der Probe an den Enden
der Probe. Dies ist ebenfalls nicht repräsentativ für das mittlere Drittel. Bender-Elemente und
Hall-Sensoren können hier Abhilfe schaffen.
Genauso ist es nicht sinnvoll radiale Verformungen anhand von globalen Verformungen
festzumachen, worauf aber im Kapitel 5 in der Diskussion über den K0-Versuch spezifischer
eingegangen wird. Oft haben Druckzellen im Bereich von Kopf- und Fußstücken mehrere
Zugangsventile zum inneren der Druckzelle, sodass weitere Sensoren im Inneren der Probe
33 REES (2013). What is Triaxial Testing? Part two: Advanced Triaxial Testing. GDS Instruments.
49
anzubringen und diese nach Außen anzuschließen. Bedenklich ist hier nur die Beeinflussung des
Probekörpers, denn dieser sollte beim Einbau in die Druckzelle, der ohnehin schon viele
Schwierigkeiten darstellt, unberührt bleiben. Lokale Messungen sind schwer durchzuführen und
dennoch hochinteressant in Bezug auf die Genauigkeit und den Anspruch an Einbau,
Versuchssteuerung und Messtechnik.
Eine weitere Möglichkeit der Untersuchung sind visuelle Messungen mit denen sich OKUBO
2007 beschäftigte. Dabei wurde ein Materialvergleich bezüglich verschiedener Auswahlkriterien
zwischen Acryl, Glas und Polycarbonat vorgenommen und der Bau einer transparenten
Triaxialdruckzelle34 beschrieben, um Kriechvorgänge und laterale Dehnung fotografisch zu
dokumentieren.
9.2 Messungen anderer Einflussgrößen
Bestimmte Anwendungsgebiete, wie Konstruktion von Anlagen für radioaktives Material oder
Erforschung von Erdbeben, wären auch mit Hilfe zusätzlicher Messtechnik nachstell- und
prüfbar. So könnte man beispielsweise sogenannte dreifachgekoppelte Systeme beurteilen.
Herkömmliche Triaxialgeräte untersuchen den Boden auf mechanisch-hydraulische
Eigenschaften. Eine zusätzliche thermische Komponente wäre in der Lage Temperatureinflüsse,
verursacht durch radioaktives Material, auf den Boden mit analysieren.
Im Forschungsgebiet des Erdbebensicheren Bauens finden sich die Begriffe von seismischen P-
und S-Wellen, wobei die Primärwellen einen verdichtenden Charakter besitzen und
Sekundärwellen eher als Scherwellen betrachtet werden. Beim Bender Element Test (REES,
2013) erfolgt die Abschätzung des maximalen Schermoduls G durch Induktion und Messung von
Spannungen in Form von P- und S-Wellen mit Hilfe von paarweise horizontal und vertikal in
Probe eingebrachten Bender-Elementen.
Falls Boden in der Vergangenheit einer Belastung ausgesetzt waren, die größer war als die
Belastung zum Zeitpunkt der Probenentnahme, kann dies durch eine Überkonsolidation der
Probe simuliert werden.
9.3 Auswahl des Prüfverfahrens für dynamische Belastungen
Während STUDER (2007) eine Auswahl des Laborversuches anhand der gesuchten dynamischen
Bodenparameter vornimmt, wie beispielsweise RC-Test für G-Modul, E-Modul und Dämpfung
oder zyklischer Triaxialtest für E-Modul, Dämpfung und Festigkeitseigenschaften, sehen
34 OKUBO, S. (2007). Development of a transparent triaxial cell and observation of rock deformation in compression and creep tests.
50
BECKER (2012) und die GOST (2015) zusätzlich eine Auswahl des Prüfverfahrens angesichts der
Eingabeparameter vor. Der Resonant-Column-Test, auch Resonanzsäule genannt, dient der
Ermittlung von Materialdämpfung und dynamischem Deformationsmodul. Wobei dynamische
Triaxialversuche eher für niedrige Frequenzen und hohe Axialdehnungsamplituden geeignet
sind, ist es beim RC-Test genau umgekehrt.35 Weiterhin existiert der sogenannte
Torsionsscherversuch, oder Torsionsversuch, welcher ähnlich wie der RC-Test durchgeführt
wird, aber die Probe Drehschwingungen bei konstanter Frequenz und zunehmender Kraft
ausgesetzt ist.
35 BECKER 2012: S. 43 und GOST 2015: S. 10 f.
51
10 Zusammenfassung und Ausblick
In der Gesamtbetrachtung der erfolgten Versuche ist ersichtlich, dass es mit Hilfe der
Triaxialanlage nicht nur möglich ist herkömmliche Laborversuche durchzuführen, sondern auch
individuelle bautechnische Vorgänge und Zustände zu untersuchen. Komplexe Vorbereitung,
Ausführung und Evaluierung statischer und dynamischer Triaxialversuche hat und wird
vermutlich noch für einige Zeit den Einzug dieser Laborprüfung in gemeine Prüfeinrichtungen
verhindern, es sei denn eine stark vereinfachte Versuchssteuerung, gute Finanzierbarkeit, große
Datenbank an Referenzwerten zur verkürzten Durchführung und eine enge Kooperation und
Hilfestellung zwischen Nutzern und Nutzern und Herstellern werden durch entsprechendes
Marketing realisiert oder suggeriert.
Die Bereitstellung von Protokollen für Vorbereitung des Versuchsstandes, Durchführung und
Evaluierung einzelner Tests ist vorteilhaft, da deutsche Normen sehr genau Auskunft darüber
geben welche Angaben in der Auswertung auftauchen müssen und weniger bis keine Vorgaben
zur Ausführung individueller, komplexerer Fragestellungen diskutiert oder aufgeführt sind. Eine
Zusammenstellung der Richtwerte für Anlagendimensionierung nach Norm sollte bei
individuellen Modifikationen beachtet werden.
Sinnvoll wäre eine Gegenüberstellung und Zusammenfassung von bodenmechanischen
Laborversuchen hinsichtlich Durchführbarkeit und Wirtschaftlichkeit mittels Triaxialanlage,
beziehungsweise Vergleiche wie die von Rahmenscherversuch mit einem statischen UU-Versuch
und K0-Versuch mit einaxialen Kompressionsversuch, die Bestandteil von Ingenieurpraktikum
und Bachelorarbeit waren.
Die Optimierung der Versuchssteuerung muss sich anhand jener Zusammenstellung und der
umfangreichen Betrachtung individueller bautechnischer, geotechnischer und
bodendynamischer Anwendungen und Vorgänge orientieren. Bei letzterem sollte der Fokus auf
Großvorhaben liegen um eine Wirtschaftlichkeit zeitintensiver Forschungen und Aufträge zu
gewährleisten.
Es sollten für mehrere Böden Referenzwerte vorhanden und einfach zugänglich sein.
52
Anhang A: Protokolle
A.1 Wassergehalt Probekörper
feuchte Probe + Behälter = m 1 + m B1
trockene Probe + Behälter = m 2 + m B1
g
-Wassergehalt = m w/m d
trockene Probe = (m 2 + m B1) - m B1
Entnahmestelle
Tiefe
Bodenart
Datum
0,140
66,80
14,9
117,25g
g
70,9869,34
124,89
10,37
16.05.2016
Bezeichnung
Behälter
Behälter-Nr.
Wasser = (m 1 + m B1) - (m 2 + m B1)
WG
H
Was
serg
ehal
t
Versuch 5
114,52
Einheit
9,36
Formel
46,31
30
g
-
Bestimmung des Wassergehalts
Probennummer 1
Datei: Protokoll_Wassergehalt-auelehm 2. Lage.xlsx
nach DIN 18 121
Tiefe
Bodenart Auelehm
Laborprüfer:
Versuch 1
Bauvorhaben:
Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur LeipzigFakultät Bauwesen
Lehrbereich Bodenmechanik, Grund-, Fels- und Tunnelbau
0341/3076 6463G² Gruppe Geotechnik - Prof. Thiele
Karl-Liebknecht-Straße 132
04277 Leipzig
0341/3076 6404
Fax:
Tel:
Projekt-Nr.:
Projektbearbeiter:
Auelehm #2
Entnahmestelle
Versuch 5
113,11
16.05.2016
Versuch 1
0,1490,1390,150
Versuch 6 Versuch 7 Versuch 8
Versuch 4
92,4246,2745,19
161326
Versuch 2
3
Anlage:
Protokoll-Nr.:
Seite:
Versuch 4Versuch 3Versuch 2
62,62
127,11
Versuch 8Einheit
T13-OED
Versuch 3
2
Versuch 6 Versuch 7
16.05.2016 01.06.2016
155,04
9,33
164,37
9,86
Datum
g
Bemerkungen:
Mas
se
Bezeichnung Formel
trockene Probe = (m 2 + m B1) - m B1 m d
m B1
m 1 + m B1
m 2 + m B1
m w
m d
w
g
Mas
se
Behälter-Nr.
122,47
w %
Behälter m B1
feuchte Probe + Behälter = m 1 + m B1 m 1 + m B1 g
trockene Probe + Behälter = m 2 + m B1 m 2 + m B1 g
g
WG
H
Was
serg
ehal
t
Wassergehalt w % 14,0 15,0 13,9
Wassergehalt = m w/m d w -
Wassergehalt
Probennummer
Wasser = (m 1 + m B1) - (m 2 + m B1) m w g
-
53
A.2 Proctordichte/-kurve
4. Grenzen für Y- und X-Achse vergeben
5. Festlegung der Reihenfolge der Ausgleichsgeraden (Polynom)
6. Annäherung an ρpr mittels Up/Down Button
7. Bitte auswählen, welcher prozentualer Anteil der Proctordichte dargestellt werden soll (Es können 2 verschiedene gewählt werden):
14,2 19,3min | max Wassergehalt w =
%98% der Proctordichte ρ d = 1,724 g/cm³
97% der Proctordichte ρ d = 1,706 g/cm³ %
100% der Proctordichte ρ PR = 1,759 g/cm³ w Pr =Optimaler Wassergehalt
min | max Wassergehalt
Protokoll-Nr.:
Bauvorhaben: Projekt-Nr.:TCDyn
14,6 18,8w =
16,6 %
Zusätzliche Bearbeitungsschritte für das Diagramm-Protokoll
Entnahmestelle: Tiefe: T11Probennummer:Löbnitz -
Datum: 19.05.2016
Bemerkung: Auelehm
Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur LeipzigFakultät Bauwesen
Lehrbereich Bodenmechanik, Grund-, Fels- und Tunnelbau
G² Gruppe Geotechnik - Prof. Thiele Tel: 0341/3076 6463
Bestimmung der DichteProctorversuch Anlage:
Karl-Liebknecht-Straße 132 Fax: 0341/3076 6404
04277 Leipzig e-mail: [email protected]
nach DIN 18127 Seite:
Projektbearbeiter:
Datei: Protokoll_Proctorversuch1.xlsx
1,500
1,550
1,600
1,650
1,700
1,750
1,800
10,0 15,0 20,0 25,0 30,0
Tro
cke
nro
hd
icht
e ρ
' d[g
/cm
³]
Wassergehalt w [%]
54
A.3 Bodenmechanisches Datenblatt Karlsruher Sand (SE)
Entwicklung einer Hochfrequenz-Triaxialzelle Entwicklung einer Hochfrequenz-Triaxialzelle
zur Untersuchung dynamisch angeregter teilgesättigter Böden zur Untersuchung dynamisch angeregter teilgesättigter Böden
Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand ZIM Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand ZIM
Förderkennzeichen: KF2180220SA4 (FTZ) Förderkennzeichen:
KF3422001SA4 (Geomation)
Bodenmechanisches Datenblatt zum Versuchsmaterial Bodenmechanisches Datenblatt zum Versuchsmaterial"Karlsruher Sand" "Karlsruher Sand"
Hintergrund Kornbeschreibung
gleichförmig, Mineralbestand einheitlich (Quarzreinheit: ca. 96 % SiO2)
gute bis mäßige Rundung, Kristallf lächen z.T. erkennbar
mittere Oberflächenlösung gut erkennbar (ESEM)
Bildnachweis
geologische Information
Herkunft
Friedrich Quarzsande GmbH & CO. KG
Südbeckenstr. 30, D-76189 Karlsruhe
"K 3 ( 0,10 – 0,60 mm ) feuergetrocknet"
bodenmechanische Analyse
Proctorwerte:
ρpr = 1,61 g/cm³
w opt = 15,8 %
Korndichte:
ρS = 2,639 g/cm³
Scherparameter
Kornverteilung:
d10 = 0,19 mm
d20 = 0,24 mm
d30 = 0,28 mm
d50 = 0,32 mm
d60 = 0,34 mm
d80 = 0,40 mm
d100 = 1,0 mm
Cu = 2,0
Cc = 1,3
kf (Hazen) = 3,3…3,8*10-4 m/s
Schüttdichte: Härte nach Mohs:
ρ = 1,4 g/cm³ 7
Glühverlust: pH-Wert (CaCl ):
Vgl = 0,1% 6
TCDyn
In der Würm-Kaltzeit (vor ca. 115.000 bis 10.000 a) entstanden
glaziale Ablagerungen alpiner Materialien in der Oberrheinebene in
Form einer Niederterrasse. Diese w urden nachfolgend dauerhaft
durch die Sedimentfracht der rheinischen Seitenflüsse verändert.
Diese Sedimentation erfolgte in Form großer Binnendünen und
Flugsanddecken. Dabei ist eine Zunahme der Quarzanteile und der
Materialhelligkeit von Süden nach Norden festzustellen. Nördlich des
Karlsruher Raumes ist demnach die Geologie durch das Vorliegen
ganzer Dünenzüge geprägt.
Dynamische und statische Verformungsmessungen lassen sich an enggestuften, feinteilarmen Böden optimal ausführen. Der
Vorteil dieser Materialien liegt in einer sehr guten Reproduzierbarkeit von Messergebnissen, moderaten Verformungen vor und
nach dem Versagenszustand und einem vergleichsw eise einfachen Probenvorbereitung. Im Rahmen des ZIM Projektes TCDyn
dient der Karlsruher Sand als Versuchsmaterial und steht in Bezug zu vielen ERfahrungen und Veröffentlichungen.
TCDyn
1,54
1,55
1,56
1,57
1,58
1,59
1,60
1,61
1,62
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0
Proctor mit Probennahme (MS)
proctor ohne Probennahme (EV)
Proctor K3 (BA)
Proctor ohne Probennahme (MS)
Histun-Sand (aus DA, BU Weimar)
Tro
cken
dich
te [
g/cm
³]
Wassergehalt [%]
55
Entwicklung einer Hochfrequenz-Triaxialzelle
zur Untersuchung dynamisch angeregter teilgesättigter Böden
Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand ZIM
Förderkennzeichen: KF2180220SA4 (FTZ)
KF3422001SA4 (Geomation)
Bodenmechanisches Datenblatt zum Versuchsmaterial"Karlsruher Sand"
Kornbeschreibung
gleichförmig, Mineralbestand einheitlich (Quarzreinheit: ca. 96 % SiO2)
gute bis mäßige Rundung, Kristallf lächen z.T. erkennbar
mittere Oberflächenlösung gut erkennbar (ESEM)
Bildnachweis
Scherparameter
TCDyn
56
1) Lastsensor (2kN) 2) Lastsensor (50kN) 3) Anschluss Lastsensor 4) Display Versuchstand
5) Kopfleiste 6) Kopfstück mit 4 Schrauben 7) Adapter 8) Druckzelle 9) Sicherungsring 10) Zelldruck, Ventile 11) Bewegungsmesser 12) Anschlüsse
Bewegungsmesser 13) Display Zelldruck 14) Display Porendruck 15) Kugel 16) Porendruckmessgerät
1. Kopfstempel anpassen
-Aufbau Kopfstempel prüfen -Lastsensor (1) anschließen -Versuchsstand Power ON -Menü: (dynamisch) Kopfleiste (5) hochfahren -Versuchsstand Power OFF -Kopfstück mit 4 Schrauben (6) montieren (Größe) -restliches Kopfstück (6, 2, 7) montieren (Anschlüsse kontrollieren)
2. Druckzelle einbauen
-Sicherungsring (9) fest? -Druckzelle auf Versuchsstand heben (Ventile vorn) -Bewegungsmesser (11,12) anbringen -Zelldruck, Porendruck anschließen (8,10), Ventile öffnen -Porendruckmessgerät anschließen (16), Ventil öffnen -Versuchsstand + Steuergeräte Power ON -Porendruck und Zelldruck (13,14) aus Fehlerbereich fahren -Sicherungsring (9) lockern, Kugel (15) auflegen, Druckzelle hochfahren (4)
Anhang B: Protokolle K0-Versuch
B.1 Vorbereitung Versuchsstand
K0-Versuch
Anpassung Prüfpresse
Modifikation der Prüfpresse für statische
Triaxialversuche
1) 3)
2)
5)
4)
6)
7)
8) 9)
10)
11) 12)
13) 14)
15) 16)
9)
57
B.2 Durchführung
Versuchssteuerung Triaxialversuch
K0-Versuch mit Querdehnung
Last-Setzungsversuch ohne Wandreibung mit Vorgabe der Poisson-Zahl
1. Projekt einrichten
- Programm GeoDESC öffnen
- neues Projekt und Versuch “K0 mit Querdehnung“
- Geräte auswählen (Zelldruck und Prüfpresse), “Versuchsgeräte finden“, “Versuchssteuerung starten“
2. Eingabe in Excel
- individuelle Programmierung notwendig (Voreinstellungen entsprechen Randparametern des K0-Versuches dieser Arbeit)
- Wechseln zu GeoDESC: “alle Geräte starten“
3. Datenauslese
- via Datenexport des ausgewählten Parameters (CSV-Format), bzw. Speicherung der Excel-Mappen
58
B.3 Grafische Auswertung
K0-Versuch mit Querdehnung
Last-Setzungsversuch
Grafische Auswertung der Exportdateien mit Excel
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 24:00 28:48 33:36
Druck-Setzungs-Versuch
Datenreihen1
s [m
m]
t [hh:mm]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 100 200 300
Druck-Setzungs-Versuch
Datenreihe 1
Druckspannung σ1 [kN/m²]
s [m
m]
59
Anhang C: Protokolle Anregungsfrequenz C.1 Versuchsschema
Vergleichende Betrachtung von Auelehm (TL) und Karlsruher Sand (S) im
zyklischen/dynamischen Triaxialversuch
Durchmesser [mm] 50 Höhe [mm] 120
1. Festlegung einer gemeinsamen Anregungsfrequenz
A1 TL A2 S
Axialdruck σ1 [kN/m²] 20 20 dyn. Auflast σd [kN/m²] 55* 55* Zelldruck σ3 [% von σ1] 50 70
Frequenzen f [Hz] 1,15,30,60** 1,15,30,60**
*BOMAG BP 12/40: F/A = 12kN / (0,542m * 0,4m) = 55,35 kN/m² , bzw. BOMAG BP 10/35 hat
53,71 kN/m²
**Abtastung einzelner relevanter Frequenzen an jeweils 4 Probekörpern (1 Hz für Zyklik, 15 Hz
für Dynamik, 30 Hz für Arbeitsbereich häufig verwendeter Maschinen, 60 Hz für Grenzbereich
Prüfmaschine) mit Lastamplitude charakteristisch für Vibrationsverdichtung 50 – 200 kPa (0,05
bis 0,2 entspricht auch Arbeitsbereich der Prüfmaschine)
60
1)Lastsensor 2)Display Versuchstand 3)Kopfleiste 4)Kopfstück mit 4 Schrauben 5)Druckzelle 6)inkrementeller Wegsensor 7)Sicherungsring 8)Zelldruck, Ventile 9)Display Zelldruck
1, 6
3
2
4
5, 7, 8
9
C.2 Vorbereitung Versuchsstand
Vorbereitung Versuchsstand
Anpassung Prüfpresse
Modifikation der Prüfpresse für zyklische und dynamische Triaxialversuche
1. Kopfstempel anpassen
-Aufbau Kopfstempel prüfen
-Kopfstück mit 4 Schrauben entfernen
-Lastsensor (2kN) anschließen
-Versuchsstand Power ON
-Menü: (statisch) Bodenstück hochfahren, (dynamisch) Kopfstück
runterfahren
-Versuchsstand Power OFF
-restliches Kopfstück anpassen
(Anschlüsse kontrollieren)
2. Einbau Druckzelle
-Sicherungsring fest?
-Druckzelle auf Versuchsstand
heben (Ventile vorn)
-Bewegungsmesser an Kopfstück der Druckzelle
-Zelldruck anschließen, Ventile öffnen
-Versuchsstand + Steuergeräte
Power ON
-Zelldruck aus Fehlerbereich fahren
-Sicherungsring lockern, Kugel
auflegen, Kopfstück runterfahren
61
C.3 Durchführung
Versuchssteuerung Triaxialversuch
Abtastung verschiedener Frequenzen
Manuelle Steuerung zyklischer und dynamischer Triaxialversuche
1. Projekt einrichten
- Programm GeoDESC öffnen
- neues Projekt und Versuch (Name), “manueller Versuch ohne Steuerung“
- Geräte auswählen (Zelldruck und Prüfpresse), “Versuchsgeräte finden“
2. Phase 1 (σ1 und σ3)
- EPD2000: Eingabe pressure (kPa)
- ELD50: Eingabe Sollwerte mode “1“, option “1“, sampling rate, force.
3. Phase 2 (σd)
- ELD50: Eingabe force amplitude, frequency, als letztes mode “2”
- ggf. Graph settlement verfolgen: neues Diagrammfenster öffnen und frequency aus Versuch hineinziehen
- ggf. force amplitude nachsteuern
4. Datenauslese
- via Geräte von SD Karte
- via Datenexport des ausgewählten Parameters (CSV-Format)
62
C.4 Grafische Auswertung
Auswertung Triaxialversuch
Abtastung verschiedener Frequenzen
Grafische Auswertung von Anregungsfrequenzen mit
Hilfe von Excel
Allgemeine Vorgehensweise:
- Beispiel Datenauslese für Setzung: GeoDESC öffnen, Projekt XY auswählen, Versuch XY
auswählen, ELD50.2:#2163 Gerät auswählen, Rechtsklick auf settlement, Daten
importieren/exportieren, CSV – Export, Speicherort wählen.
- CSV-Datenexport in Excel importieren: Daten, Text in Spalten (Beachte: Semikolon)
- gewünschte Abschnitte (Zeit anpassen [min], settlement [mm]) als Diagramm darstellen,
Layout anpassen.
63
Anhang D: Protokolle Zyklischer CU-Versuch
D.1 Versuchsschema
Vergleichende Betrachtung von Auelehm (TL) und Karlsruher Sand (S) im
zyklischen/dynamischen Triaxialversuch
Durchmesser [mm] 50 Höhe [mm] 120
2. Variation von Last- und Umlagerungsspannung
*genauere Festlegung nach Auswertung der Ergebnisse von 1.
Anmerkung: Vorbereitung Versuchsstand, Durchführung und Grafische Auswertung
entsprechen Protokoll C.2 bis C.4.
B1 TL B2 TL B3 TL B4 S B5 S B6 S
Axialdruck σ1 [kN/m²] 10 20 50 10 20 50 dyn. Auflast σd [kN/m²] 55 Zelldruck σ3 [% von σ1]* 80 50 30 90 70 50
Frequenz f [Hz] 60
64
Anhang E: Protokolle Simulation Walzenüberfahrt E.1 Versuchsschema
Simulation einer Walzenüberfahrt (Bomag BW 211 D-5)
-dynamischer Triaxialversuch-
Durchmesser [mm] 50
Höhe [mm] 120
Konsolidation [h] 2
Tiefe [m] 1,0
Frequenz [Hz] 30
1. Festlegung der manuellen Nachsteuerung am Kunststoffkörper
force force force amplitude force force amplitude
σ3 [kN/m²] F1 [kN] F1Walze [kN] Fd [kN] (F1 + Fd)soll [kN] Fd,neu
10 0,0393* 0,026** 0,728*** 0,7933 ?
* σ1 = 20 kN/m², F1 = 20 kN/m² * π * (0,05 m)² /4 = 0,0393 kN
** statische Last der Walze: F1Walze = 5670 kg / (0,2 m * 2,13 m) * π * (0,05 m)² /4000 kN/N =
0,026 kN
*** 0,728 kN = 158 kN / (0,2 m * 2,13 m) * π * (0,05 m)² /4
2. Phase 1: Simulation Start der Walze
Walzengeschwindigkeit = 2,5 m/s = 20 m / 30 s, somit werden 10 m vor und 10m nach Walze
registriert in 30 s.
Zeit [min] σ3 [kN/m²] F1 [kN] F1Walze [kN] ΣF1 Fd [kN]
Konsolidation 120 10 0,0393 - 0,0393 - Start Walze 0,5 10 0,0393 0,026 0,0497 0,545***
Pause 5 10 0,0393 - 0,0393 -
*** Nachsteuerung nach 1.
Vorbereitung Versuchsstand, Durchführung und Grafische Auswertung erfolgten nach
Anhang C.
65
3. Phase 2: 5 Überfahrten
Vorbereitung Versuchsstand nach Anhang C.2, Durchführung nach Anhang E.2, Grafische Auswertung nach Anhang C.4.
axial stress
(from press)
[kN/m²]
cell pressure
[kN/m²]mode
force Amp
[kN]freq [Hz]
sampling
Rate [Hz]
20 10 2 0 0 1
57,089 10 2 0,14 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
205,446 10 2 0,7 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
57,089 10 2 0,14 30 250
20 10 2 0 0 1
57,089 10 2 0,14 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
205,446 10 2 0,7 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
57,089 10 2 0,14 30 250
20 10 2 0 0 1
57,089 10 2 0,14 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
205,446 10 2 0,7 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
57,089 10 2 0,14 30 250
20 10 2 0 0 1
57,089 10 2 0,14 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
205,446 10 2 0,7 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
57,089 10 2 0,14 30 250
20 10 2 0 0 1
57,089 10 2 0,14 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
205,446 10 2 0,7 30 250
168,3568 10 2 0,57 30 250
131,2676 10 2 0,425 30 250
97,1784 10 2 0,285 30 250
57,089 10 2 0,14 30 250
20 10 2 0 0 1
66
E.2 Durchführung
Versuchssteuerung Triaxialversuch
Simulation Walzenüberfahrt Phase 2
Lastgeregelter dynamischer Triaxialversuch mittels Excel-Steuerung
1. Projekt einrichten
- Programm GeoDESC öffnen
- neues Projekt und Versuch “Walzenfahrt“
- Geräte auswählen (Zelldruck und Prüfpresse), “Versuchsgeräte finden“, “Versuchssteuerung starten“
2. Eingabe in Excel
- Reiter ELSxx wählen
- Durchmesser (sample diameter) und Höhe (height h0) eintragen
- Eingabe der Werte gemäß Anhang E.1 3. Phase 2: 5 Überfahrten
- Wechseln zu GeoDESC: “alle Geräte starten“
3. Datenauslese
- via Geräte von SD Karte
- via Datenexport des ausgewählten Parameters (CSV-Format)
67
Anhang F: Datenblätter F.1 Rüttelplatten
68
F.2 Walze
69
Anhang G: Übersicht Triaxialversuche
70
Anhang H: Technische Systemübersicht
71
Anhang I: Protokoll B-Test
B-Test
Kontrolle Sättigungsvorgang nach DIN 18137-2
(nicht bei UU-Versuchen)
Der B-Test dient der Kontrolle des Sättigungsvorganges bei statischen (CU-, D-, CCV-Versuch) und dynamischen (CU-, CD- und CW-Versuch) Triaxialversuchen.
Durchführung:
- Dränage schließen, - Anfangsporenwasserdruck u0 und Anfangszelldruck σ3,0 ablesen (an Steuergeräten)
- Zelldruck σ3 am Steuergerät um 0,1 bis 0,2 σ3,0 erhöhen (gibt Δσ3)
- Porenwasserdruck u nimmt dadurch zu (Δu) (ca. 2 min)
- B-Wert = Δu / Δσ3 = (𝑢1−𝑢0)
(𝜎3,1−𝜎3,0)
Auswer
tung:
Eine ausreichende Sättigung ist vorhanden, wenn der B-Wert
≥0,95 für weiche bis steife bindige und nichtbindige Böden ist, oder
≥0,90 für hoch überkonsolidierte, halbfeste bindige Böden ist.
Wenn der B-Wert nicht erreicht wird muss u0 erhöht werden.
Halbfeste, bindige Böden erreichen oftmals keine ausreichende Sättigung, somit ist der CCV-Versuch dem CU-Versuch vorzuziehen.
Bezeichnung Formel Einheit Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3
Anfangsporenwasserdruck u0 Anfangszelldruck σ3,0 Endporenwasserdruck u1 Endzelldruck σ3,1
B-Wert
72
Anhang J: Vergleich der Datenexporte
Setzungen von SE bei 1 und 15 Hz
Darstellung des Zeit-Setzungsverlaufes von SE bei 1 Hz mit 1-, 10-, 50- und 100-Sekunden-Fenstern.
Darstellung des Zeit-Setzungsverlaufes von SE bei 15 Hz im 1000-Sekunden-Fenster.
Setzungen von TL bei 1 und 15 Hz
Darstellung des Zeit-Setzungsverlaufes von TL bei 1 Hz im 1000-Sekunden-Fenstern.
73
Darstellung des Zeit-Setzungsverlaufes von TL bei 15 Hz mit 1-, 10-, 50- und 1000-Sekunden-Fenstern.
Last-Setzung von SE
74
Last-Setzung von TL
Lastanalyse von SE und TL
75
Frequenzvergleiche
Load-Frequency Settle-Time
1 Hz 1 Hz
15 Hz 15 Hz
30 Hz 30 Hz
60 Hz 60 Hz
76
Glossar
Begriffe nach DIN 18137 und GOST 56353
Abscheren: Letzter Schritt beim Ablauf von Triaxialversuchen, wobei durch Festlegung von
Stauchungsgeschwindigkeit σ1 und Zelldruck σ3 der Probekörper zum Bruch geführt wird.
Bender-Elemente: Messsystem zur Induktion von Scherwellen in einen Probekörper. Der
Empfang des elektrischen Signals lässt eine Beurteilung der Scherwellengeschwindigkeit und
somit des maximalen Schermoduls zu.
Deviatorspannung: Differenz von Spannungen. Bei triaxialen Versuchen gilt σ2 = σ3, da die
Probekörper in Zylinderform vorliegen und somit entspricht die die Deviatorspannung bei
Triaxialversuchen σ1 - σ3.
Dilatanz: Verformung (Dehnung) eines Bodens mit geringer Porenzahl e während des Abschervorganges.
dynamische Dilatanz: Mechanismus der Deformation in Böden unter dynamischer Belastung,
bei der eine Volumenänderung aufgrund der Umlagerung und gegenseitigen Verschiebung von
Partikeln (abhängig vom Feinkornanteil) oder infolge der Entwicklung von überschüssigem
Porendruck (positiv oder negativ) in einem geschlossenen wassergesättigtem System .
dynamische Instabilität des Bodens : Zunahme und Abnahme der Verformbarkeit infolge
dynamischer Belastung. (je nach Boden dilatant, dilatant-thixotrop, oder quasi-thixotrop).
dynamische Verdichtung: Flüssigkeiten gesättigter Böden dispergieren infolge der Zerstörung
struktureller Verbindungen mit dynamischen Effekten.
effektive Normalspannung σ´: vom Korngerüst getragene Normalspannung (σ´= σ - u).
effektive Schubspannung τ: vom Korngerüst getragene Schubspannung (Wasser überträgt
keine Schubspannung, deshalb sind in wassergesättigten Böden die totalen gleich den effektiven
Schubspannungen).
Entfestigung: Wenn sich ein Boden über einen bestimmten Grenzzustand hinweg weiter
verformt, hat er geringere Schubfestigkeit τ.
Filtersteine: Sie verhindern Austritt von Luft aus der Probe, dienen der Aufnahme von
Porenwasser (Dränage) und werden kopf- und fußseitig am Probekörper gelegt. Die
Saugspannung gewährleistet Trennung von Luft und Wasser aus Poren.
Gegendruck: notwendiger Druck für Sättigungsphase (vor Konsolidation und Abscheren), unter
Fachleuten oftmals auch als Backpressure bezeichnet.
77
Grenzzustand: Spannungen und Dehnungen der Bodenprobe erreichen maximal mögliche
Werte.
Grenzzustand größter Scherfestigkeit: Mit einer geringen Porenzahl e und unbehinderter
Radialdehnung können die größten Scherwiderstände gemessen werden.
isotroper (mittlerer) Druck: totaler, effektiver Druck p= (σ₁ + σ₂ + σ₃)/3 , p´=(σ₁´ + σ₂´ +
σ₃´)/3
K0-Test: Versuch mit verhinderter Radialausdehnung (Oedometerversuch ohne Wandreibung).
Der K0-Test entspricht einem Oedometerversuch (Last-Setzungs-Versuch) und liefert
Materialparameter für teilgesättigte Böden, die notwendig sind um in Kombination mit einem
Triaxialversuch die Spannungs- und Verformungseigenschaften zu beurteilen.
Hall-Sensor, Hall-Effect-Sensor: Dienen der lokalen Messung von Magnetfeldern, Belastungen
und Steifigkeiten an Probekörpern.
Hysteresis (Hysterese): In der Bodendynamik vorkommendes Phänomen bei dem unter
dynamischer Belastung, abhängig vom Feinkornanteil und Porendruck, sogenannte
Hystereseschleifen entstehen. Es handelt sich um einen Effekt der verlorenen Arbeit während
einer Verdichtung, denn infolge der Bodeneigenschaften ist zusätzliche Belastungsarbeit nach
jeder Belastung notwendig um den Boden aus der elastischen in die plastische Verformung
zurückzuführen.
Kapillarkohäsion cc: Eigenschaft (Spannungen) der Grenzfläche Luft-Wasser bei teilgesättigten
Böden.
Kohäsion c bzw. c´: Ordinatenabschnitt im (τ, σ)- bzw. (τ, σ´)-Diagramm. Porenzahl,
hydraulische Gegebenheiten und Konsolidationsgrad bestimmen die Kohäsion der Probe.
Verkittung, Gefügefestigkeit und Kapillarspannungen können darauf Einfluss haben.
Kohäsionskonstanten λcs und λc: Zwischen c´ und Konsolidationsspannung max σ´ bzw. max
σV´ herrscht ein linearer Zusammenhang. Es gilt: c´= λcs · max σ´ bzw. c´= λc · max σV´
Konsolidation (Schwellung): Änderung der Porenzahl e (Porenanteil n) im Boden infolge der
Änderung der Spannungen. Schwellung ist die Zunahme von e. Befindet sich eine Probe im
gesättigten Zustand erfolgt die Konsolidation (Schwellung) durch Aufbringen (Verringern) von
Zelldruck bzw. axialem Druck. Dies hat ebenfalls Auswirkungen auf den Porenwasserdruck.
Konsolidation, isotrope: Zelldruck und axialer Druck werden gleichmäßig aufgebracht (σ´1=
σ´2= σ´3).
Konsolidation, anisotrope: es gilt σ´₁≠ σ´2, σ´2 ≠σ´₃, oder σ´₃≠ σ´₁
78
Konsolidation, eindimensionale: Vergleichbar mit einem einaxialen Kompressionsversuch
erfolgt das Aufbringen einer effektiven Spannung σ´₁ (axial), wobei Radialdehnung gemessen
und durch aufbringen von Zelldruck verhindert wird.
Konsolidation, normalkonsolidiert: Wirkte bisher nie ein besonderer Spannungszustand auf
den Probekörper ist dieser normalkonsolidiert (Vergleichsspannung σ´V = σ₁´ = σ₂´ = σ₃´).
Konsolidation, überkonsolidiert: Vor der Probenentnahme erfuhr der Boden einen
Spannungszustand größer als σV´.
Konsolidation, eindimensional normalkonsolidiert: wenn bisher σ´₁ > σV´, σ´2 > σV´ oder σ´3 >
σV´ nie vorkam, dann ist der Probekörper in der jeweiligen Komponente eindimensional
normalkonsolidiert.
Konsolidation, eindimensional überkonsolidiert: wenn bisher σ´₁ > σV´, σ´2 > σV´ oder σ´3 >
σV´ vorkam, dann ist der Probekörper in der jeweiligen Komponente eindimensional
überkonsolidiert.
Konsolidationsspannung: σ´₁, σ´2, σ´₃ (effektive Spannung) die verwendet wird um den
Probekörper zu konsolidieren.
Kontraktanz: Zusammenschrumpfen (Kontraktionsfähigkeit) eines Bodens, während des
Abschervorganges, wegen zu großem Porenraums (Porenzahl e).
kritischer Grenzzustand (kritischer Zustand): Eine bestimmte, gesuchte Spannung auf den
Probekörper verursacht konstante Verformungen und das Erreichen der kritischen Porenzahl
ek.
kritische Porenzahl ek: Porenzahl im kritischen Zustand. Das Kompressionsverhalten eines
Bodens wird maßgeblich durch den Porenraum gekennzeichnet. Dieser Sachverhalt ist
messtechnisch und zum modellhaften Denken nicht nur für gesättigte, sondern vor allem für
teilgesättigte Probekörper von immenser Wichtigkeit.
Liquefaktion: Bodenverflüssigung ist ein Phänomen zyklischer Belastungen, bei dem aufgrund
äußerer Spannungen und verhinderter Volumenausdehnung, der Porenwasserdruck ansteigt
und die Druckkräfte im Korngerüst abnehmen. Da der Boden im Prinzip nicht in der Lage ist sich
zu „setzen“, sind im Versagenszustand die äußeren Spannungen so groß, dass im Korngerüst
keine Druckkräfte mehr vorhanden sind und somit kein Scherwiderstand mehr aufgebracht
werden kann.
P-Wellen: Seismische Primärwellen, Verdichtungswellen, deren Betrachtung relevant wird bei
Triaxialversuchen zur Erdbebensicherheit.
79
plastisches Versagen: starke Verformung des Probekörpers. Wenn Probe in einem bestimmten
Bereich bricht nennt man dies auch Zonenbruch.
Porenwasserdruck u: Druck des freien Porenwassers innerhalb einer Bodenprobe. In
Triaxialversuchen oftmals auch als uKopf- und uFuß-Ventile gekennzeichnet, welche das innere
Drucksystem darstellen (äußeres wäre in diesem Fall der Zelldruck σ3).
überkritisch bzw. unterkritisch dichter Boden: Durch Konsolidation kann jeglicher
verdichteter Zustand von Böden simuliert werden. Weichen die Porenzahlen eines Probekörpers
unter einem bestimmten Spannungszustand von der kritischen Porenzahl ek ab, so spricht man
von über- oder unterkritisch dichtem Boden.
RC-Gerät, Resonanzsäule: Laborversuch zur Beurteilung von Materialdämpfung und
dynamischen Deformationsmodul.
Reibungswinkel φ bzw. φ´: Neigungswinkel der Gerade die die Spannungskreise (τ, σ- bzw. τ,
σ´-Diagramm, wenn u=0, dann φ=φ´) tangiert.
Rekonsolidation: Konsolidation im Scherversuch unter einer Vergleichsspannung σ´V, die im
Baugrund vor der Probenentnahme geherrscht hat.
Restscherfestigkeit (Gleitfestigkeit) τR: Scherfestigkeit nach Abschervorgang, die im Bereich
der Scherfuge herrscht.
S-Wellen: Seismische Sekundärwellen, Scherwellen, deren Frequenz und Amplitude für
komplexere triaxiale Untersuchungen im Gebiet Erdbebensicherheit relevant werden.
Scherfestigkeit τf: in einer Scherfuge im Grenzzustand auftretende Schubspannung.
Scherfuge: Oft erst nach Probenausbau sichtbarer Bereich, meist im mittleren Drittel des
Bodenkörpers, in dem durch Spannungen verursachte Verformungen zum plastischen Versagen
führen.
Scherparameter: Kohäsion c´ und Reibungswinkel φ´ (ermittelt aus σ1 und σ3).
Scherversuch: Untersuchung der Wirkung von axialen/triaxialen Spannungen oder/und
Verschiebungen auf eine Bodenprobe im Labor (Direkter Scherversuch, Triaxialversuch).
Spannungspfad: Darstellung von Spannungen (σ, σ´) und der dazugehörigen
Stauchung/Dehnung (ε) um die oft visuell nicht sichtbaren Vorgänge bei Scherversuchen
grafisch zu verdeutlichen. Dabei empfiehlt sich, wie bei einigen anderen grafischen
Darstellungen von Triaxialversuchen, die Überlagerung von Diagrammen. Hier wäre
beispielsweise die Einbindung von Zeitkomponente oder Laststufe möglich.
80
Schubwiderstand, Scherwiderstand: Widerstandsfähigkeit eines Probekörpers gegen
axiale/triaxiale Beanspruchungen (Spannungen).
totale Normalspannungen σ: vom Porenwasser und Korngerüst aufgenommene
Normalspannung (σ´=σ wenn Boden wasserungesättigt).
totale Scherparameter: cu (Kohäsion) und φu (Reibungswinkel) können mithilfe von UU-
Versuchen ermittelt werden.
ungestörte Bodenprobe: Güteklasse 1 nach DIN EN 1997-2.
Verfestigung: Das Gefüge im Boden verformt sich derartig, dass viel größere Schubfestigkeiten
τ aufgebracht werden können.
Vorschubgeschwindigkeit: Auch Stauchungsgeschwindigkeit genannt, bezeichnet ein von der
Plastizitätszahl Ip abhängiges, steuerungstechnisch relevantes Aufbringen von
Normalspannungen auf den Probekörper: Ip (<10% mit 0,010 mm/min, 10-25 mit 0,005, 25-50
mit 0,002, >50 mit 0,001 für D-Versuche; für CU-Versuche 10x höher; für UU-Versuche: Ԑ̇1 ≈1%
je min).
Zonenbruch: plastisches Versagen unter kontinuierlicher Verformung einer räumlichen Zone.
Zelldruck: Bei Triaxialversuchen die kleinere Hauptspannung oder Zellendruck σ3. Oft wird
dieser Zelldruck auch als σ2-3 bezeichnet, was eigentlich fachlich richtig ist, da aber zylindrische
Proben getestet werden ist die Bezeichnung σ3 praktikabler und kommt häufiger in der Literatur
vor.
81
Literaturverzeichnis
geomation. Abgerufen am 31.03.2016 von http://www.geomation.de/de/triaxialversuch.
bomag. Abgerufen am 13.06.2016 von http://www.bomag.com/de/de/produkte.htm.
Bassem, Soumaya (2005). Setzungsverhalten von Flachgründungen in normalkonsolidierten
bindigen Böden. Schriftenreihe Geotechnik. Universität Kassel.
Becker, Thomas (2012). Materialverhalten eines teilgesättigten bindigen Bodens unter
zyklischer Belastung. Technische Universität Kaiserslautern.
Gilbert, Paul A. (1984). Investigation of density variation in triaxial test specimens of
cohesionless soil subjected to cyclic and monotonic loading. Final Report. Department of the
Army. Waterways Experiment Station. Vicksburg.
Haupt, Wolfgang (1986). Bodendynamik. Grundbauinstitut LGA Bayern Nürnberg. Vieweg &
Sohn Verlagsgesellschaft mbH. Braunschweig.
Hornig, Ernst-Dieter (2007). Spannungs-Verformungsverhalten von wechselfestem Gestein. TU
Bergakademie Freiberg. Institut für Geotechnik.
Internes Bodenmechanisches Datenblatt zum Versuchsmaterial “Karlsruher Sand“. G² Gruppe
Geotechnik. TCDyn.
Kolymbas, D. (2007). Geotechnik Bodenmechanik, Grundbau und Tunnelbau (2. Auflage).
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York. Universität Innsbruck.
Möller, Gerd (2013). Geotechnik Bodenmechanik Bauingenieur-Praxis (2. Auflage). Ernst & Sohn.
Okubo, S. (2007). Development of a transparent triaxial cell and observation of rock deformation
in compression and creep tests. Department of Geosystem Engineering. University of Tokyo.
Rees, Sean (2013). What is Triaxial Testing? Part one: Introduction to Triaxial Testing. GDS
Instruments.
Rees, Sean (2013). What is Triaxial Testing? Part two: Advanced Triaxial Testing. GDS
Instruments.
Rees, Sean (2013). What is Triaxial Testing? Part three: Dynamic Triaxial Testing. GDS
Instruments.
Rütz, D. (2011). Wissensspeicher Geotechnik (18.Auflage). Bauhaus-Universität Weimar.
Eigenverlag Geotechnik Weimar.
82
Simmer, K. Grundbau 1: Bodenmechanik, Erdstatische Berechnungen. Springer Fachmedien
Wiesbaden GmbH(18. Auflage).
Studer, Laue, Koller (2007). Bodendynamik. Grundlagen, Kennziffern, Probleme und
Lösungsansätze. 3. Auflage. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ETH Zürich.
DIN 18135 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben – Eindimensionaler
Kompressionsversuch.
DIN 18137-1 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben – Bestimmung der Scherfestigkeit –
Teil 1: Begriffe und grundsätzliche Versuchsbedingungen.
DIN 18137-2 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben – Bestimmung der Scherfestigkeit –
Teil 2: Triaxialversuch.
DIN 18137-2 Baugrund, Untersuchung von Bodenproben – Bestimmung der Scherfestigkeit –
Teil 3: Direkter Scherversuch.
DIN 18196 Erd- und Grundbau – Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke.
DIN EN ISO 17892-5 Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Laborversuch an
Bodenproben – Teil 5: Oedometerversuch mit stufenweiser Belastung.
DIN ISO/TS 17892-8 Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Laborversuche an
Bodenproben – Unkonsolidierter undränierter Triaxialversuch.
DIN ISO/TS 17892-9 Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Laborversuche an
Bodenproben – Konsolidierte triaxiale Kompressionsversuche an
wassergesättigten Böden.
GOST R 56353 ГРУНТЫ. Методы лабораторного определения. динамических свойств
дисперсных грунтов. (2015).
83
Erklärung
Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbstständig angefertigt habe. Es
wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel benutzt. Wörtlich
oder sinngemäß übernommenes Gedankengut habe ich als solches kenntlich gemacht.
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